[논문 리뷰] Use of high resolution satellite images for tracking of changes in the lineament structure, caused by earthquakes

A. A. Arellano-Baeza, R. V. García외 1명|ArXiv.org|2007. 06. 13.

Earthquake Detection and Analysis참고 문헌 40인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 강한 지진(Mw ≥ 5.2) 이전에 지각 선단계 시스템의 변화를 탐지하기 위해 ASTER/TERRA 고해상도 다중스펙트럼 위성 영상을 사용한다. 선단계 추출 및 스트라이프 밀도 분석을 위해 LESSA 소프트웨어를 적용한 결과, 주요 지진 약 1개월 전에 선단계 수와 재정렬이 크게 증가하는 것으로 나타났으며, 특히 융합 경계에서 두드러진다. 이는 지각 응력 축적과 팽창 현상과 관련된 잠재적 전조 신호를 시사한다.

ABSTRACT

Over the last decades strong efforts have been made to apply new spaceborn technologies to the study and possible forecast of strong earthquakes. In this study we use ASTER/TERRA multispectral satellite images for detection and analysis of changes in the system of lineaments previous to a strong earthquake. A lineament is a straight or a somewhat curved feature in an image, which it is possible to detect by a special processing of images based on directional filtering and or Hough transform. "The Lineament Extraction and Stripes Statistic Analysis" (LESSA) software package, developed by Zlatopolsy (1992, 1997). We assume that the lineaments allow to detect, at least partially, the presence ruptures in the Earths crust, and therefore enable one to follow the changes in the system of faults and fractures associated with strong earthquakes. We analysed 6 earthquakes occurred in the Pacific coast of the South America and XXX with the Richter scale magnitude >4.5. They were located in the regions with small seasonal variations and limited vegetation to facilitate the tracking of features associated with the seismic activity only. It was found that the number and orientation of lineaments changed significantly about one month before an earthquake approximately, and a few months later the system returns to its initial state. This effect increases with the earthquake magnitude, and it is much more easily detectable in case of convergent plate boundaries (for example, Nasca and South American plates). The results obtained open a possibility to develop a methodology able to evaluate the seismic risk in the regions with similar geological conditions.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 위성 영상에서 관측되는 지질학적 선단계 시스템의 변화가 강력한 지진의 전조로 기능할 수 있는지 조사하기 위해.
• 지속적인 지각 응력 축적을 모니터링하기 위해 원격 감지 데이터를 활용할 수 있는지 타당성 평가하기 위해.
• 특히 융합 경계에서 다양한 지각 환경 간의 선단계 변화의 일관성과 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 위성 영상에서 관찰된 동적 선단계 변화를 기반으로 지진 위험 평가 방법론 개발하기 위해.
• 지진 활성 지역과 관련이 없는 통제 지역과의 비교를 통해 관측된 선단계 변화의 타당성 검증하기 위해.

제안 방법

• 지진 이전, 동시 및 이후 기간 동안 ASTER/TERRA 다중스펙트럼 위성 영상(15–30 m 해상도) 확보하기.
• 방향성 필터링 및 허프 변환 기법을 사용한 선단계 추출을 위해 LESSA 소프트웨어 패키지(Zlatopolsky, 1992, 1997) 적용하기.
• 원형 마스크를 사용한 컨volution을 통한 스트라이프 밀도 필드 계산 후 잔차 분석을 통해 재정렬 패턴 탐지하기.
• 선단계 방향성 및 밀도의 시간에 따른 변화를 정량화하기 위해 로즈도형과 라돈 변환 생성하기.
• 지진 영향을 받은 지역의 선단계 동역학을 수백 km 떨어진 기준 지역의 것과 비교하기.
• 선단계 탐지 최적화 및 노이즈 감소를 위해 이미지 임계값 설정(이 연구에서는 120로 설정함)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위성 영상에서 탐지된 선단계 시스템의 변화가 강력한 지진의 신뢰할 수 있는 전조로 기능할 수 있는가?
• RQ2 주요 지진 발생 1개월 전에 선단계의 수와 방향성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 선단계 변화가 지진의 진도와 지각 환경, 특히 융합 경계에서 얼마나 관련이 깊은가?
• RQ4 관측된 선단계 변화가 배경 노이즈 또는 비지진 지역과 비교해 통계적으로 유의미한가?
• RQ5 스트라이프 밀도 필드 잔차가 파손 이전의 지각 팽창에 대한 추가적 증거를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 강력한 지진(Mw ≥ 5.2) 약 1개월 전에 선단계 수가 유의미하게 증가하는 경향을 관찰했으며, 이 현상은 특히 융합 경계 근처 지역에서 가장 두드러졌다.
• 스트라이프 밀도 필드 잔차 및 라돈 변환 분석을 통한 선단계 재정렬은 지각 응력 축적과 팽창 과정과 관련된 동적 반응을 시사한다.
• 지진 발생 약 1개월 후 선단계 시스템은 점차 초기 상태로 복귀하는 것으로 나타나, 일시적인 지구전 신호임을 확인했다.
• 지진 진앙지에서 수백 km 떨어진 통제 지역에서는 유의미한 선단계 변화가 관측되지 않아, 관측된 현상이 국소적임을 확인했다.
• 지진의 진도와 선단계 변화의 강도 사이에 상관관계가 있었으며, 더 큰 지진은 더 두드러지고 광범위한 지구전 신호를 유도했다.
• ASTER 영상(15–30 m 해상도)을 사용함으로써 표면 변형이 일반적으로 센티미터 수준임을 감안할 때도 지각 스케일의 구조적 변화를 탐지할 수 있었다.