카트만두 분지의 강진 파동 억제와 비선형 효과: 2015 고르카 지진 사례 연구

초록

본 연구는 2015년 Mw 7.8 고르카 지진 동안 카트만두 분지에서 관측된 저주파 진동 펄스와 고주파 감쇠 현상을 설명하기 위해, 2차원 탄성 유한요소 모델과 1차원 비선형 HH 토양 모델을 결합한 시뮬레이션을 수행하였다. 결과는 단순화된 탄성 모델이 저주파 응답을 잘 재현하고, 비선형 1D 모델이 고주파 영역에서 개선된 일치를 보이며, 분지 가장자리에서의 복합 파동 상호작용을 정확히 포착하려면 2D/3D 비선형 모델이 필요함을 시사한다.

상세 분석

이 논문은 강진 시 발생하는 ‘분지 효과’를 정량적으로 해석하기 위해 두 단계의 모델링 전략을 채택하였다. 첫 번째 단계는 수직 전파 SV 평면파를 가정한 2 D 평면 응력(plane‑strain) 탄성 유한요소 모델(FEM)이며, OpenSEES 기반의 사각형 요소와 자유‑필드(Fixed‑Field) 경계조건을 적용해 인공적으로 경계 반사를 최소화하였다. 지반 구조는 강우동(rock)와 연약 퇴적층을 단순화된 층상 속도 프로파일로 정의했으며, 베드락 깊이와 전단파 속도는 현장 기록과 Bijukchhen 등(2016)의 자료를 스플라인 보간으로 연결하였다. 이러한 이상화에도 불구하고, 모델은 관측된 ~0.3 Hz 저주파 진동을 적절히 재현했으며, 특히 분지 중심부에서의 장시간 지속 및 진폭 증폭을 설명한다. 그러나 가장자리인 TVU 관측소에서는 저주파 응답이 과소평가되었는데, 이는 실제 분지 경계에서 발생하는 파동 회절·집속 현상이 2 D 탄성 모델의 단순화된 경계와 물성 가정으로는 충분히 포착되지 못했음을 의미한다.

두 번째 단계는 1 D 비선형 HH(Shi & Asimaki, 2017) 토양 모델을 적용한 시뮬레이션이다. HH 모델은 전단파 속도 프로파일만을 입력으로 받아, MKZ와 FKZ 비선형 응력‑변형 관계를 전이 함수로 결합해 강성 감소와 감쇠 비율을 동시에 재현한다. 비선형 모델은 비마싱(non‑Masing) 규칙을 채택해 실제 토양의 히스테리시스 특성을 보다 현실적으로 묘사한다. 동일한 SV 입력을 사용했으며, 결과는 3 Hz 이상에서 탄성 모델보다 높은 주파수 대역의 스펙트럼을 더 정확히 맞추었다. 특히 고주파 감쇠가 관측된 현상을 비선형 소성 변형에 기인한 에너지 소산으로 설명할 수 있었다. 다만, TVU와 같은 가장자리 관측소에서는 여전히 차이가 남아, 2 D/3 D 비선형 파동 전파와 복합 파동 모드 변환을 포함한 모델링이 필요함을 강조한다.

전반적으로, 저주파 영역에서는 지반의 기하학적 공명과 파동 트랩 현상이 지배적이며, 고주파 영역에서는 토양 비선형성에 의한 감쇠가 주요 메커니즘으로 작용한다는 두 가지 물리적 인사이트를 도출한다. 또한, 제한된 현장 자료와 단순화된 모델링에도 불구하고, 저주파와 고주파를 각각 다른 모델로 보완함으로써 전체 주파수 스펙트럼을 포괄적으로 재현할 수 있음을 보여준다. 향후 연구에서는 비선형 2 D/3 D FEM, 복합 파동 소스 모델링, 그리고 더 정밀한 지질·속도 자료 확보가 필수적이다.