어스스코프

EarthScope 로고

Earthscope는 2003년부터 2018년까지 지질학 및 지구물리학 기술을 사용하여 북미 대륙의 구조와 진화를 탐구하고 지진과 화산을 제어하는 과정을 이해하는 국립과학재단(NSF)의 자금 지원 지구과학 프로그램이었다.^[1] 이 프로젝트에는 USArray, 판경계 관측소, 심층 산안드레아스 단층 관측소 등 세 가지 요소가 있었다. 이 프로젝트와 관련된 단체로는 ENDTCO, 지진학 연구소(IRIS), 스탠포드 대학, 미국 지질조사국(USGS), 미국 항공우주국(NASA) 등이 있다. 몇몇 국제 기구들도 이 계획에 기여했다. EarthScope 데이터는 공개적으로 액세스할 수 있다.

관측소

EarthScope 관측소는 세 곳으로 깊이에 있는 산 안드레아스 단층 관측소(SAFOD), 판 경계 관측소(PBO), 지진 및 자기장 관측소(USRray)가 있다. 이 관측소는 능동 단층 영역으로 들어가는 보어홀, 지구 위치 측정 시스템(GPS) 수신기, 틸트미터, 긴 베이스라인 레이저 스트레인미터, 보어홀 스트레인미터, 영구 및 이동식 지진계, 자기장 관측소로 구성된다. 다양한 EarthScope 구성요소는 지리학 및 열만기학, 암석학 및 지질화학, 구조 및 지질학, 서피컬 프로세스 및 지질학, 지질역학 모델링, 암석물리학, 수력학 등에 대한 통합적이고 접근성이 높은 데이터를 제공할 것이다.

지진 및 자기장 관측소(USRray)

아이리스가 관리하는 USArray는 미국 대륙 전역에 영구 지진계와 휴대용 지진계의 촘촘한 네트워크를 배치하기 위한 15년 프로그램이다. 이들 지진계는 전 세계에서 발생하는 지진으로 인해 방출되는 지진파를 기록하고 있다. 지진파는 지구 내 에너지 지출의 지표다. 과학자들은 이 밀집된 지진계로부터 얻은 지진의 기록을 분석함으로써 지구의 구조와 역학 그리고 지진과 화산을 제어하는 물리적 과정에 대해 배울 수 있다. USArray의 목표는 주로 북아메리카 아래에 있는 대륙 지각, 암석권, 맨틀의 구조와 진화를 더 잘 이해하는 것이다.

USArray는 운송 가능한 어레이, 플렉시블 어레이, 레퍼런스 네트워크, 그리고 마그네토텔러 설비의 네 가지 시설로 구성되어 있다.

운송 가능한 어레이는 미국 전역의 연접 그리드에 10년 동안 배치되어 있는 400개의 지진계로 구성되어 있다. 이 역들은 70km 떨어져 있고, 지구의 70km 상단을 지도화할 수 있다. 약 2년 후, 기지는 조직이 채택하여 영구적으로 설치하지 않는 한 그리드의 다음 장소로 동쪽으로 이동한다. 일단 미국 전역을 수색하는 작업이 완료되면 2000개 이상의 지역이 점령될 것이다. 어레이 네트워크 설비는 전송 가능한 어레이 스테이션에서 데이터 수집을 담당한다.

플렉시블 어레이는 291개의 광대역 스테이션, 120개의 단기간 방송국, 1700개의 활성 소스 스테이션으로 구성되어 있다. 플렉시블 어레이는 넓은 전송 가능한 어레이보다 더 집중적인 방식으로 사이트를 타깃팅할 수 있도록 한다. 자연적이거나 인위적으로 생성된 지진파는 지구의 구조물을 지도화하는 데 사용될 수 있다.

기준 네트워크는 약 300 km 떨어져 있는 영구 지진 관측소로 구성된다. 참조 네트워크는 전송 가능한 어레이 및 유연한 어레이에 대한 기준선을 제공한다. EarthScope는 레퍼런스 네트워크의 일부인 기존의 첨단 국가 지진 시스템에 39개의 관측소를 추가 및 업그레이드했다.

마그네토텔루릭 시설은 전자기장을 기록하는 영구 센서 7개와 휴대용 센서 20개로 구성되어 있다. 그것은 내진 배열에 해당하는 전자파다. 휴대용 센서는 Transportable Array 그리드와 유사한 롤링 그리드로 이동하지만 다음 위치로 이동하기 약 한 달 전에만 제자리에 배치된다. 자기장 관측소는 자기계, 4개의 전극, 그리고 얕은 구멍에 묻혀 있는 데이터 기록 장치로 구성되어 있다. 전극은 남북 및 동서 방향으로 되어 있으며, 소금 용액에 포화되어 지면과 전도성을 향상시킨다.

플레이트경계관측소(PBO)의 구성요소인 EarthScope GPS Geosensor

플레이트 경계 관측소(PBO)

플레이트 경계 관측소 PBO는 북미 플레이트와 태평양 플레이트의 경계를 이해하는 데 도움이 되도록 설치된 일련의 측지 계기, 위성 위치 확인 시스템(GPS) 수신기 및 보어홀 스트레인미터로 구성되어 있다. PBO 네트워크는 1100개의 영구적이고 지속적으로 작동하는 위성위치확인시스템(GPS) 관측소로 이루어진 네트워크로서, 78개의 보어홀 지진계, 74개의 보어홀 스트레인미터, 26개의 얕은 보어홀 틸트미터, 6개의 긴 베이스 레이저 스트레인미터로 이루어진 네트워크로 구성되어 있다. 이러한 기기는 GeoEarthScope 이니셔티브의 일부로 획득한 InSAR(Interferometric syntheture radar) 및 LiDAR(광선 감지 및 범위 지정) 이미지와 지리학으로 보완된다. PBO는 또한 포괄적인 데이터 제품, 데이터 관리 및 교육 및 홍보 활동을 포함한다. 이러한 영구적 네트워크는 연구자에게 임시 네트워크를 위해 배치될 수 있는 휴대용 GPS 수신기 풀에 의해 보완되어 특정 대상의 지각 운동을 측정하거나 지질학적 사건에 대응한다. EarthScope의 플레이트 경계 관측소 부분은 EDYCO, Inc.에서 운영하고 있다. ENDTCO는 지오디(geodey)를 활용한 연구와 교육을 촉진하는 비영리 대학주관 컨소시엄이다.

SAFOD 주 보어홀 및 파일럿 홀의 도식적 표현

San Andreas 단층 전망대(SAFOD)

깊이 산 안드레아스 단층 전망대(SAFOD)는 약 3km 깊이에서 활성 산 안드레아스 단층을 가로지르는 주 보어홀과 산 안드레아스 단층 남서쪽 약 2km 지점의 파일럿 홀로 구성되어 있다. 구멍에 설치된 기구의 데이터, 지오폰 센서, 데이터 수집 시스템, GPS 시계, 그리고 드릴링 중에 수집된 샘플로 이루어진 데이터는 샌 안드레아스 단층부의 행동을 제어하는 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이다.

데이터 제품

다양한 관측소에서 수집된 데이터는 다양한 유형의 데이터 제품을 만드는 데 사용된다. 각 데이터 제품은 서로 다른 과학적 문제를 해결한다.

P-Wave 단층 촬영

단층 촬영은 고체 물체(인체나 지구 등)의 내부 구조물에 충돌하는 에너지 파장의 통로에 미치는 영향의 차이를 관찰하고 기록함으로써 3차원 영상을 생성하는 방법이다. 에너지의 파도는 지진에 의해 생성되는 P파이며 파도의 속도를 기록하고 있다. USArray와 ANSS(Advanced National Jiamine System)의 영구 지진 관측소에 의해 수집되고 있는 고품질 데이터를 통해 미국 아래의 지구 내부를 고해상도 지진으로 촬영할 수 있게 된다. 지진 단층 촬영은 맨틀 속도 구조를 구속하는 데 도움이 되며, 작용하고 있는 화학적, 지질학적 공정을 이해하는 데 도움이 된다. USArray가 수집한 데이터와 글로벌 이동시간 데이터를 사용하여 맨틀에서 P파 속도 이질성의 글로벌 단층촬영 모델을 만들 수 있다. 이 기법의 범위와 해결책은 주요 지각 특성의 특성을 포함하여 북미 맨틀 암석권에서 우려되는 일련의 문제들에 대한 조사를 가능하게 할 것이다. 이 방법은 대륙의 안정적 중심과 보다 활동적인 서북아메리카 사이의 맨틀 암석권의 두께와 속도 이상에 대한 차이를 증명한다. 이 데이터는 지역 암석권 진화의 이해를 위해 필수적이며, 추가 글로벌 데이터와 결합하면 맨틀을 USArray의 현재 범위를 넘어 이미징할 수 있다.

수신기 참조 모델

EAS(EarthScope Automated Receiver Survey)는 EarthScope 제품 생산의 몇 가지 핵심 요소를 다루는 데 사용될 시스템의 프로토타입을 만들었다. 프로토타입 시스템 중 하나가 수신기 기준 모델이다. 그것은 USArray 운송 가능 배열 스테이션 아래의 지각 두께와 평균 지각 Vp/Vs 비율을 제공할 것이다.

지진계의 P파 및 S파

주변 지진 소음

첨단 국가 지진 시스템(ANSS)과 USArray의 주요 기능은 지진 감시, 원천 연구 및 지구 구조 연구를 위한 고품질 데이터를 제공하는 것이다. 지진 데이터의 효용성은 소음 수준, 원치 않는 진동이 감소할 때 크게 증가하지만 광대역 지진계는 항상 특정 수준의 소음을 포함할 것이다. 소음의 주요 원인은 계측기 자체 또는 주변 지구 진동이다. 일반적으로 지진계 자체 소음은 지진 소음 수준보다 훨씬 낮으며, 모든 관측소에는 계산하거나 관측할 수 있는 특성화된 소음 패턴이 있을 것이다. 지구 내 지진 소음의 발생원은 지구 표면 또는 그 근처에서 일어나는 인간의 행동, 지상으로 전달되는 움직임과 함께 바람에 의해 움직이는 물체, 흐르는 물(하천 흐름), 서핑, 화산 활동 또는 열악한 역 설계로 인한 열 불안정으로 인한 장기 기울기 등 어느 하나에 의해 발생한다.

자연적으로 발생하는 지진으로부터 몸과 표면파를 제거하기 위해 연속 파형을 선별하려는 시도가 없다는 점에서, 지진 소음 연구에 대한 새로운 접근법이 EarthScope 프로젝트와 함께 도입될 것이다. 지진 신호는 낮은 전력 수준에서도 일반적으로 낮은 확률 발생이기 때문에 일반적으로 소음 데이터 처리에 포함되지 않는다. 지진 소음 데이터 수집의 두 가지 목적은 주변 지진 배경 소음을 계산하는 표준 방법을 제공하고 문서화하는 것이며, 미국 전역의 주변 배경 지진 소음 수준의 변화를 지리, 계절 및 시간의 함수로 특징짓는 것이다. 새로운 통계적 접근방식은 주어진 지진 관측소에서 전체 소음 범위를 평가하기 위해 확률밀도함수(PDF)를 계산할 수 있는 능력을 제공할 것이며, 0.01–16Hz(100-0.0625s 기간)의 광범위한 주파수 범위에서 소음 수준을 추정할 수 있게 된다. 이 새로운 방법을 사용하면 서로 다른 지역에서 서로 다른 네트워크 사이의 지진 소음 특성을 비교하는 것이 훨씬 쉬워질 것이다.

지진 그라운드 모션 애니메이션

USArray 운송 가능 배열의 지진계는 지구 표면 근처의 특정 지점을 통과하는 수많은 지진파의 통로를 기록하고 있으며, 고전적으로 이 지진계는 지구 구조와 지진원의 특성을 추론하기 위해 분석된다. 공간적으로 밀도가 높은 지진 기록 세트를 감안할 때 이러한 신호는 실제 연속 지진파를 시각화하는 데도 사용될 수 있어 복잡한 파장 전파 효과에 대한 새로운 통찰력과 해석 기법을 제공할 수 있다. 지진계 배열로 기록된 신호를 사용하여, EarthScope 프로젝트는 선택된 대형 지진에 대해 USArray 운송 가능 배열을 휩쓸면서 지진파에 생기를 불어넣을 수 있을 것이다. 이는 지역 및 텔레스지파 전파 현상을 설명할 수 있을 것이다. 영구 및 수송 가능한 지진 관측소에서 수집한 지진 데이터는 이러한 컴퓨터 생성 애니메이션을 제공하는 데 사용될 것이다.

지역 모멘트 텐서

지진 모멘트 텐서는 지진 관측을 통해 결정할 수 있는 지진의 기본 매개변수 중 하나이다. 지진 단층 방향 및 파열 방향과 직결된다. 모멘트 텐서 규모에서 파생된 모멘트 크기 MW는 다른 지진 규모와 지진의 크기를 비교하고 측정하는 데 가장 신뢰할 수 있는 수량이다. 모멘트 텐서는 지진 통계, 지진 스케일링 관계, 스트레스 반전 등 광범위한 지진학 연구 분야에서 사용된다. 미국에서 중간에서 대규모의 지진에 대한 적절한 소프트웨어가 있는 지역 모멘트 텐서 솔루션의 생성은 USArray 운송 가능 어레이 및 첨단 국가 지진 시스템 광대역 지진 관측소에서 이루어질 것이다. 결과는 시간과 주파수 영역에서 얻는다. 파형 적합도 및 진폭 위상 일치 수치가 제공되어 사용자가 모멘트 텐서 품질을 평가할 수 있다.

미국 서부와 하와이의 지리학적 모니터링

위성위치확인시스템(GPS) 장비와 기법은 지구과학자들이 지역 및 국소 지각판 움직임을 연구하고 자연재해 모니터링을 실시할 수 있는 독특한 기회를 제공한다. 여러 GPS 어레이의 청소된 네트워크 솔루션은 EarthScope 프로젝트와 함께 지역 클러스터로 통합되었다. 배열은 태평양 북서측지질 배열, 어스스코프의 판경계 관측소, 서부 캐나다 변형 배열, 미국 지질조사국이 운영하는 네트워크 등이다. 태평양/북미 판 경계선을 따라 약 1500개의 관측소에서 매일 GPS 측정을 통해 밀리미터 단위의 정확도를 제공하며 지각의 변위를 감시할 수 있다. 데이터 모델링 소프트웨어와 기록된 GPS 데이터 활용으로 판구조물, 지진, 산사태, 화산폭발로 인한 지각변형을 정량화할 수 있는 기회가 마련된다.

시간에 따른 변형률

목표는 GPS 데이터에 의해 제약된 최근의 지진 및 기타 지질학적 사건과 관련된 시간에 의존하는 변형률 모델을 제공하는 것이다. 원격 감지 기술인 InSAR(Interferometric Synthetic Apropure Radar)과 GPS 수신기와 스트레인미터의 고정 배열인 PBO(Plate Boundary Observatory)를 사용하여 EarthScope 프로젝트는 10~cm 해상도의 넓은 지리적 영역에 대해 공간적으로 연속적인 변형률 측정을 제공할 것이다.

전역 변형률 지도

지구변형률지도(GSRM)는 GPS, 지진계, 스트레인미터가 수집한 측지학적, 지질학적 현장 관측과 일치하도록 전지구적으로 일관된 변형률과 속도계 모델을 결정하는 임무를 가진 국제암석권프로그램의 프로젝트다. GSRM은 오늘날의 지각 운동 수용과 관련된 지구 속도 구배 텐서 분야의 디지털 모델이다. 전체 임무는 또한 다음을 포함한다: (1) 개별 연구자에 의한 글로벌, 지역 및 지역 모델의 기여 (2) 변형 현상의 더 큰 이해에 기여할 수 있는 지질학, 측지학 및 지진 정보의 기존 데이터 세트를 보관하고, (3) 변형률 및 변형 과도현상을 모델링하기 위한 기존 방법을 보관한다. 완성된 전역 변형률 맵은 대륙 역학의 이해와 지진 위험의 정량화에 기여하는 많은 양의 정보를 제공할 것이다.

과학

EarthScope가 관측소를 사용하여 다룰 7가지 주제가 있다.

수렴 마진 프로세스

해양-대륙 수렴 마진

수렴성 경계라고도 하는 수렴성 여백은 둘 이상의 지각판 사이에 서로 충돌하는 변형의 활성 영역이다. 수렴 여백은 산맥이나 화산 같은 지각 상승 지역을 만든다. 어스스코프는 미국 서부 태평양 판과 북미 판의 경계선에 초점을 맞추고 있다. EarthScope는 GPS 측지학 데이터, 지진 이미지, 상세 지진도, 자기장 데이터, InSAR, 응력장 지도, 디지털 표고 모델, 기준선 지질학, 고생물리학 등을 제공하여 수렴 마진 프로세스를 보다 잘 이해할 수 있도록 할 것이다.