전단열 수치 모사를 위한 탄소성 유한요소 코드 개발 : 암석권의 기계적 강도 약화와 파열 및 변형과 연계하여

국문 초록 (Abstract)

전단열은 물질이 뒤틀리거나 미끄러져 국지적으로 쌓인 탄성 변형 에너지의 크기가 암석권의 전단대의 에너지 저장 능력인 소성 항복강도를 초과해 일부 혹은 대부분이 열로 방출되어 소산하는 비가역적 현상이다. 전단열은 암석권의 국지적인 약대를 발달시킬 수 있는 기작 중 하나로 기계적 강도가 큰 암석권의 국부적 온도 상승에 따라 강도가 하강하여 암석권의 파괴와 변형이 촉진된다. 기계적 강도의 약화와 변형이 집중되는 현상(strain localization)은 암석권의 파괴가 수반하는 지진, 열개, 섭입 시작 및 슬랩 분리 등과 같은 지구조적 대변형과 관련된 지구동역학적 현상에서 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 변형률 국소화의 시작 및 활성화에 관한 기작으로써 전단열을 집중적으로 다룬다. 전단열 효과 우세에 따른 전단대 온도 증가 및 기계적 강도 감소의 반복으로 발생하는 열 폭주 현상은 판 구조 운동이 암석권을 파열하기까지 요구되는 응력을 충족시키지 못함에도 불구하고 전단대의 강도를 약화시켜 파열을 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는 파이썬을 이용해 유한요소법을 기반으로 한 2차원 유한 요소 탄소성 코드와 열 전도 코드를 제작해 정확성 평가를 통한 신뢰성을 검증하고 인장 암석권 모형을 제작하여 국부 전단대와 전단열 발생 현상을 수치 모사했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Shear heating is an irreversible phenomenon in which the magnitude of elastic strain energy accumulated locally as a result of material distorting or sliding exceeds the plastic yield strength, the energy storage capacity of the lithospheric shear zone, and some or most of it is dissipated as heat. Shear heating is one of the mechanisms that can develop localized weak zones in the lithosphere, and the localized temperature increase in the lithosphere with large mechanical strength leads to a decrease in strength, which promotes fracture and deformation of the lithosphere. The weakening of mechanical strength and strain localization plays an important role in geodynamic events associated with tectonic large deformation such as earthquakes, rifting, subduction initiation, and slab detachment, that involve lithospheric fractures. We focus on shear heating as a mechanism for the initiation and activation of strain localization. The phenomenon of thermal runaway, which occurs as a result of repeated increases in shear zone temperature and decreases in mechanical strength due to the dominance of shear thermal effects, can weaken the strength of the shear zone and cause rupture, even though the plate tectonic motion does not meet the stresses required to rupture the lithosphere. In this study, a two-dimensional elastoplastic code and heat transfer code based on the finite element method were developed and validated using Python. The reliability of the codes was verified by evaluating their accuracy, and a tensile lithosphere model was constructed to numerically simulate local shear zones and shear heat generation.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 연구 배경 1
• 1. 전단열(Shear heating) 1
• 2. 탄소성(Elastoplasticity) 3
• 3. 지체구조물리 코드 개발 4
• Ⅱ. 연구 방법 5
• 1. 유한요소법(Finite element method, FEM) 5
• 2. 지배방정식 6
• (1) 운동량 보존 방정식 6
• (2) 에너지 보존 방정식 8
• 3. 수치 모형 및 수치 모사 알고리즘 9
• (1) 탄소성 코드 정확성 확인 모형 9
• (2) 열 전도 코드 정확성 확인 모형 10
• (3) 암석권 모형 10
• (4) 제작 코드 알고리즘(리턴 맵핑 알고리즘) 13
• Ⅲ. 연구 결과 15
• 1. 정확성 확인 15
• (1) 탄소성 코드 15
• (2) 열 전도 코드 17
• 2. 암석권 모형 19
• (1) 기본 모형 19
• (2) 소성 항복강도 약화 모형 20
• Ⅳ. 결론 및 토의 27
• □ 참고문헌 28
• □ Abstract 34