Tsunamigenic earthquakes of the western Pacific subduction zone and back-arc region: finite fault model validation and inversion

Abstract

서태평양의 섭입대와 배호분지에서 발생하는 지진해일 유발 지진의 지진원 모델과 지진해일발생기작에대해연구하기위해,총4개의연구를진행하였다. 먼저지진원 모델을 구성할 때, 단층면상의 슬립(slip)이 불균질 및 균질하게 분포함에 따라서 지진해일 발생과 전파의 정확성에 어떠한 차이가 있는지 비교해보았다. 이를 위해 2011년 동일본 지진과 1983년 아키타 지진의 불균질 슬립모델과 균질 슬립모델을 이용해 지진해일 수치모의를 수행하였다. 지진해일 수치모의로 얻은 지진해일 파형과 관측파형을 비교해 본 결과, 슬립 분포의 해상도가 정밀하게 반영된 불균질 분포 모델이 더 높은 정확도를 보였다. 이 연구를 바탕으로, 2011년 동일본 지진에 관한여러단층모델중7개의유한단층모델(M1 M7)을선택하여불균질슬립분포를 가지는 모델들의 정확도를 비교해 보고자 했다. 비교를 위해 서태평양에 설치된 DART부이 지진해일 기록과 일본의 서쪽 해안, 큐슈, 한반도 동해안과 남해안에 설치된 조위계 기록을 사용했다. 지진원과 거리가 가까운 DART부이 기록은 슬 립분포에 따른 차이를 보이는 반면, 상대적으로 거리가 먼 남해안의 관측기록의 경우 단층의 크기나 슬립양의 크기에 대한 영향이 더 컸다. 특히 동해안 지진해일 기록과의 비교를 통해, 지진해일 발생 직후의 파형 극성에 따라 단층모델을 제한할 수 있었다. 단층모델의 정확성에 대한 연구를 바탕으로, 역사지진 및 잠재 지진해일 유발 지진에대한연구를수행하였다. 이를위해동일본지진의진원역보다한반도로부터 더 근거리에 위치한 난카이 해구에서 발생한 지진해일 유발 지진 시나리오와 1707호에이 지진의 지진해일 수치모의를 수행하였다. 호에이 지진해일 수치모의를 통해난카이해구에서발생한지진해일이지진발생후약200분뒤에한반도연안에 도달했고,첫번째파고보다는300 - 400분후에도달하는파고가더크게도달했음을 알 수 있었다. 또한, 다양한 시나리오를 통해서 난카이 해구역에서 발생한 비슷한 규모의지진이라도지진단층파괴역의위치와슬립분포에따라최대파고가한반도 해안에 다르게 도달하는 것을 보여줬다. 마지막으로, 사할린 섬의 남서부 해역에서 발생한 2007 네벨스크 지진에 대해 원거리 실체파를 이용한 역산을 통해 지진원 모델을 계산했다. 이 지진은 지진규모(𝑀𝑤 6.2)에 비해 큰 지진해일이 발생한 경우로, 어떤 기작에 의해 이러한 현상이 발생했는지 알아보기 위해 지진원 역산을 수행했다. 지진원 역산의 경우 다양한 해가 존재하게 되는데, 지진 자료뿐만 아니라 지진해일 수치모의를 통해 지진해일 관측자료와 비교하여 최적의 지진원 모델을 선정하였다. 이 지진은 길고 좁은 형태의 단층면의 양 끝부분에서 많은 슬립이 발생한 형태로, 해당 모델을 이용하여 계산한 지표면 변위의 경우 네벨스크 시가지 부근과 프라브다 남서쪽 해역에서 많은 변위 발생이 있었다. 특히, 퇴적물 및 메탄 하이드레이트로 이루어진 지각 최상부층의 낮은 강성률에 의해 규모에 비해 큰 규모의 지진이 발생할 수 있었다. 위의연구들을통해서지진원모델에따라지진해일발생과전파의재구성에어떻게 영향을 주는지, 더불어 지진해일 자료가 지진원 모델을 제약하는데 어떻게 기여할 수 있는지 보여줄 수 있었다.

This thesis focuses on tsunamigenic earthquakes occurring in the western Pacific sub- duction zone and back-arc region, and it is composed of four studies. The first study investigates how the resolution of slip distributions can affect the accuracy of tsunami simulations using two events: the 1983 Akita earthquake and the 2011 Tohoku earth- quake. We find that non-uniform models resulted in similar phase as tsunami observa- tions whereas uniform slip models result in earlier arrivals and lower amplitudes than the observations. In the second part, we evaluate finite fault models of the 2011 Tohoku earthquake by comparing simulated waveforms and tsunami observations recorded in the fore- and back-arc region of Japan. We find that in the southern coastal region of Korea and the East Sea, the fault dimension and amount of slip have the largest effects on the accuracy of the simulated waveforms. In the third part we investigate the possi- bility of whether the 1707 Heoi earthquake tsunami, potentially recorded in a historical document, could have reached the Korean Peninsula, and we estimate its magnitude. This leads to whether other potential earthquakes in Nankai region might also affect Korea, which we explored by applying realistic anticipated earthquake scenarios. We verify whether the Hoei tsunami reached Korea about 200 min after the occurrence of the earthquake. In the last study, we explore a moderate-magnitude tsunamigenic earthquake and its viability of tsunami genesis. Iterative modeling using teleseismic body-waves and a tsunami record were carried out to understand the rupture process of the 2007 Nevelsk earthquake, which occurred in the southwestern offshore region of Sakhalin Island, and we test the finite fault slip models by conducting tsunami simulations. Based on the seismic modeling and tsunami simulation, this earthquake occured in the crustal layer, which has low rigidity, and can be classified as a "tsunami earthquake," which is defined as an earthquake that generates a larger tsunami than expected for its magnitude.