ASPECT를 이용한 열개 수치 모형의 자유 표면 모사 기법 간의 비교 연구 (A comparison of free-surface tracking methods for numerical modeling of rifting based on ASPECT)

서지정보

· 발행기관 : 대한지질학회
· 수록지 정보 : 지질학회지 / 58권 / 2호 / 179 ~ 190페이지
· 저자명 : 장민석, 김영균, 소병달

초록

열개 현상은 판구조 인장력에 의해 지각의 두께 감소 및 파괴를 일으키고 해양 지각을 형성시키는 지구동역학적 현상이다. 본 연구는 열개 연구에 널리 사용되고 있는 유한 요소 지구동역학 소프트웨어인 ASPECT를 이용하여, 지표 변형 모사에 도입되는 Sticky-Air (SA)와 Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) 기법 바탕의 수치모사를 통해 열개 구조와 연산 시간을 비교하였다. SA 모형의 열개 진화는 5.3 Myrs에서 대륙 파괴 및 100 km 이상의 대양저 확장까지 진행되었으나, ALE 모형은 지각 두께가 감소하고 맨틀의 상승만이 관찰되었다. ALE 기법은 속도장에 따라 격자를 직접 변형하기 때문에, SA 기법에 비해 약 2배의 연산 시간이 소요되었다. SA층이 열개 진화와 연산 시간에 미치는 영향을 파악하기 위해 다양한 SA층 두께(5 km-20 km)를 적용하여 모사하였다. SA층의 두께가 감소하면, 모형의 규모가 작아져서 연산 시간이 단축되었다. SA층의 두께가 작을수록, 상단 경계 조건에 영향을 더 크게 받아 열개 진화 속도가 느려졌다. 즉, 계산 자원이 충분한 환경에서는 SA층의영향을 완전히 배제할 수 있는 ALE 기법을 선택하는 것이 효율적일 것으로 판단된다. SA 기법을 선택하는 경우, 상부 경계 조건 효과와 열개 현상을 분리시키기 위해서 SA층의 두께를 최소 15 km 이상으로 설정해야 한다. 열개 수치 모형의 효율적 지표 모사 기법을 선택함으로써 열개 분지(예, 동해)의 진화 및 지각 구조 이해에기여할 것으로 기대된다.

영어초록

The rifting is a unique geodynamical process of the Earth, which involves crustal thinning, continental breakup, and seafloor spreading due to the extensional stress driven by plate relative motions and plume. In this study, we compare the morphological structures and calculation time based on two free-surface deformation simulation approaches, Sticky-Air (SA) and Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) methods. We adopt the finite element geodynamic software, ASPECT, recently widely used in modeling rifting. In the rifting evolution in the SA method, continental breakup and subsequent ~100 km seafloor spreading proceed for 5.3 Myrs. On the other hand, the ALE method shows just crustal thinning and mantle upwelling, which reaches no continental breakup.
The ALE method spends 2 calculation time compared to the SA method because the mesh grids directly deform following the velocity field in the ALE method. We perform a series of modeling using various values of SA layer thickness (5, 10, 15, 20 km) to evaluate the effects of the SA layer on rifting evolution and calculation time. The smaller SA thickness, which refers to the smaller model size, tends to decrease calculation time. The process of rifting evolution becomes slower in the small SA thickness model because the top boundary condition strongly influences the deformation of the upper crust. We suggest that the ALE method, which excludes the effect of the top boundary condition, is more effective when the computational resources are sufficient. When the SA method is adopted, the SA thickness should be larger than ~15 km for decoupling the upper crust and SA layer. We expect that the efficient selection of free-surface simulation methods, aided by our comparison study, contributes to understanding the rifted basin (e.g., East Sea) and crustal structure.

참고자료

· 없음