이산요소법을 이용한 습곡-충상단층대 모형의 변형률 분석 방법으로써 유한차분법 및 유한요소법의 적용성 평가 (Applicability of finite difference and finite element methods as a post-processing tool for strain analysis of fold-and-thrust belt model developed with the discrete element method)

서지정보

· 발행기관 : 대한지질학회
· 수록지 정보 : 지질학회지 / 57권 / 6호 / 809 ~ 826페이지
· 저자명 : 안수정, 소병달

초록

본 연구는 불연속적인 입상 물질 모사에 널리 활용되는 이산요소법을 이용하여 취성(brittle)-소성(plastic) 변형이 광역적으로 발생하는 습곡-충상단층대 모형을 개발하였다. 본 이산요소 모형의 기하학적 구조는 수치및 상사 모델링 기법으로 수행된 기존 연구들과 일치함을 확인하였다. 모형의 변형률을 분석하기 위해 연속체역학(즉, 유한차분법 및 유한요소법)이 도입된 파이썬 기반 후처리 코드를 제작하였다. 이를 통해 습곡-충상단층대의 실제적인 취성-소성 변형을 모사하고 물질 대변형에 사용되는 유한변형률을 통해 단층의 운동 감각, 방향에 따른 변형의 규모, 체적변형률, 왜곡도를 구하는 등 물리적·정량적 분석을 성공적으로 수행하였다. 유한차분법을 사용한 변형률 계산 결과는 경계부에서는 부정확하나 전체적으로 균일한 분포를, 유한요소법에서는 경계부를 따라 해석해와 비교하였을 때 정확도가 높은 결과를 보였다. 이를 통해 본 연구는 유한요소법이 지질 구조의 불규칙한 경계 내 변형률을 계산하는데 효율적인 방법임을 제시하였다. 본 연구에서 적용한 변형률 계산법은 습곡-충상단층대와 같은 대변형이 일어난 지질 구조의 물리적 해석에 최적화되었다. 또한 퇴적물의 마찰성 입상 거동(예, 쪼개짐, 회전, 교란, 교결, 압밀 등)을 내재적으로 반영하는 이산요소법의 특성을 고려하면, 본연구에서 개발한 변형률 계산 방법은 지표면 내 퇴적물 거동, 불연속 구조의 변형률, 시간에 따른 퇴적층의 부피 변화(예, 침하, 팽창) 등을 이해하는데 활용 가능하다.

영어초록

We develop a fold-and-thrust belts model with extensive brittle-plastic deformations using the discrete element method (DEM), widely adopted for simulating discontinuous granular materials. We confirm that our models are consistent with previous numerical and analog studies in terms of the surface angle, the spacing between two near-thrusts, and the number of thrusts. Furthermore, we build the Python post-processing code for analyzing the strain evolution within the model based on continuum mechanics, i.e., the finite difference method (FDM) and finite element method (FEM). Physical and quantitative analysis such as kinematic sense of fault, the amount of deformation, volumetric strain, and distortion is successfully performed by adopting the finite strain for large geological deformations. The strain calculated based on the FDM is inaccurate at the boundaries but shows a uniform distribution throughout the model, and the FEM shows high accuracy which is comparable with the analytic solution along the boundaries. This suggests that the FEM provides a more efficient tool for analyzing strain fields in geological domains with irregular boundaries such as fold-and-thrust belts. The strain calculation method applied in this study is optimized for the physical analysis of geological structures that have undergone large deviatoric deformations. Moreover, since the DEM inherently includes the frictional granular behaviors of the sediment (e.g., fracture, rotation, disturbance, cementation, and consolidation), our strain analysis method guarantees high feasibility in various cases, such as the observation of the sediments behavior in the surface, the strain analysis of discontinuous structures, and the volume change of sediment layers over time (e.g., settlement and expansion).

참고자료

· 없음