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동 남극 Campbell 빙하 지역의 원형 속도 이상 원인에 관한 연구: 빙저 지형의 기복과 상 빙하수 배수 영향 평가
백이정(Yijeong Baek),임수정(Sujeong Lim),소병달(Byungdal So) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
빙하의 흐름은 빙상 질량 균형과 지구 기후 변화를 파악할 수 있는 중요한 지표이다. 이전 지구물리학적 연구들은 빙하의 물성, 빙저 지형, 기저 마찰 약화, 빙하의 수문학적 변화 등이 빙하 동역학에 영향을 미칠 수 있다고 제안했지만, 이에 대한 정량적인 평가는 아직 부족하다. 최근 이중차분간섭기법(Double-Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar; DDInSAR)을 사용한 지구물리학적 관측에 따르면 동 남극의 Campbell Glacier Tongue에서 시간에 따라 위치와 크기가 변화하는 두 개의 원형 속도 이상 현상이 보고됐다. 동 남극의 Campbell Glacier Tongue 기저 지형의 구조를 유추할 수 있는 직접적인 지구물리학적 자료가 부족하기 때문에 다양한 경우의 가설을 설정하여 수지 모사했다. 본 연구에서는 유한 요소 격자 생성기인 Gmsh, 범용성 유한 요소 소프트웨어인 COMSOL, 오픈 소스 유한 요소 소프트웨어인 Elmer/ice를 사용했다. Gmsh와 COMSOL을 이용하여 2D 수치 모형을 개발했고, Elmer/ice를 사용하여 빙하의 수직 및 수평 움직임에 대한 얼음 흐름을 해석하고 제어 요인의 기여도를 정량화했다. 먼저, 기저 지형의 기복과 빙하 표면 속도 이상의 상관성을 계산하기 위하여 가우시안(Gaussian) 형태의 기복을 조작 변인으로 하는 간단한 모형을 제작했다. 그 결과, 가우시안 기복의 폭이 좁고 높을수록 속도 이상이 뚜렷하게 관찰되는 것을 확인했다. 하지만 기저 지형의 변화 정도는 미약하므로 시간에 따라 변화하는 속도 이상을 설명하는데 한계가 있다. 우리는 시간에 따라 위치와 크기가 변하는 속도 이상을 재현하기 위하여 상 빙하수의 배수에 의한 빙하 기저의 속도 증가를 가설로 설정했다. 상 빙하에 있던 물이 빙하 기저로 배수되면서 빙하 분지에 채워진 물이 동결되고, 이 때 방출되는 잠열에 의해 빙하 기저 분지 주변의 얼음 온도가 높아져 점성도가 낮아진다. 이에 따라 기저 마찰이 약화하여 속도가 빨라져 속도 이상이 나타날 것으로 예상한다. 이 영향을 수치 모사하기 위해 가우시안 형태의 분지를 제작한 후 분지 주변의 마찰계수를 낮췄다. 그 결과 분지 주변에서 속도 이상이 나타나는 것을 확인했다. 따라서 우리는 두 번째 가설이 속도 이상을 더 잘 모사한다고 판단하여 이것이 동남극의 Campbell Glacier Tongue에서 나타나는 두 개의 원형 속도 이상의 원인이 될 수 있음을 토론하고자 한다. 향후 연구에서는 Campbell Glacier Tongue지역의 실제 좌표를 적용하여 3차원 모형을 제작한다면 빙하의 흐름과 속도 이상의 발생 기작의 이해를 증진시킬 것으로 기대한다.
유한요소 소프트웨어 PyLith와 COMSOL Multiphysics<SUP>®</SUP>를 이용한 암석권의 전단열 수치 모사
김나원(Nawon Kim),김현섭(Hyeonseob Kim),소병달(Byungdal So) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
본 연구는 유한요소법을 이용하여 탄소성 암석권에서의 전단열 수치 모사를 진행하였다. 외부에서 가해진 힘이 제거되었을 때 원래 상태로 돌아오려는 탄성과 다르게 물체에 응력을 가했을 때 영구적으로 변형되는 성질을 소성(plasticity)이라고 한다. 탄소성 지각에 인장력이 작용하면 탄성 변형이 발생한다. 지각에 계속해서 인장력이 작용하면 탄성 변형의 형태로 축적할 수 있는 응력의 최대 한계인 소성 항복강도에 도달하게 되고 이를 초과하면 소성 변형이 시작된다. 이때 초과된 에너지는 소성 변형뿐만 아니라 전단열(shear heating)의 형태로 소산한다. 이때 전단열은 암석권의 국지적인 약대를 발달시킬 수 있는 기작 중 하나로 암석권의 온도를 높이고 강도를 낮춰 암석권의 파괴를 촉진시킬 수 있다. 이러한 응력과 변형의 집중으로 지구의 암석권에서 발생할 수 있는 전단대(shear zone)는 섭입 시작 및 인장 분지와 같은 대변형과 관련된 지질학적 현상에서 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 암석권의 변형 및 지진 단층 모사를 위해 유한요소 기법을 이용한 PyLith 솔버를 사용하였다. PyLith의 소성 변형 계산 능력을 검증하기 위해 항복강도를 조절하며 유한요소 소프트웨어인 콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics<SUP>®</SUP>)와의 비교를 진행하였다. 또한 PyLith 솔버에서 전단열이 구현되는지 확인하기 위해 기존에 진행되었던 수치 모사 연구를 벤치마킹했으며 이를 통해 분지 확장 모형과 전단열의 형태와 값이 기존 연구와 유사하게 구현되는 것을 확인하였다. 암석권에서 발생할 수 있는 국부전단대를 유한요소법을 이용해 수치모사 함으로써 판구조론 관점에서 대변형과 관련된 지질학적 현상에 대한 이해도를 증진시킬 수 있을 것으로 기대된다.