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다중 물리와 다상 유체 개념을 이용한 마그마 화도 내 흐름 수치 모사 기법 개발
소병달(Byung-Dal So) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
최근, 20년간 컴퓨터의 발달과 마그마 점성도와 같은 유변학적 성질에 대한 다수의 실험을 바탕으로, 수치지구동역학(numerical geodynamics) 분야는 화산 분출 유형과 마그마 거동 이해에 크게 기여해왔다. 지구동역학에서 물질의 거동을 모사하는 방식은 크게 i) 점성 유체 흐름과 ii) 탄성 고체 변형으로 나뉜다. 점성과 탄성 사이에 넓은 스펙트럼의 물질 거동 모형이 존재하지만, 마그마 방(magma chamber)에서부터 마그마 파편화 깊이(magma fragmentation level) 전까지의 마그마 화도(magma conduit) 내 마그마 수송을 모사함에 있어 점성 유체 개념을 주로 이용한다. 마그마는 액체인 용융체(melt), 고체인 결정(crystal), 기체인 버블(bubble) 3개의 서로 다른 상이 섞여 있는 다상유체(multiphase)다. 다상유체 흐름 시뮬레이션은 그 자체로도 응용수학과 전산유체역학의 매우 큰 분과이다. 다양한 상이 공존하므로, 점성도를 결정함에 있어 다수의 물리현상(multiphysics)이 상호 작용하여 단순한 직관으로는 결과를 예상할 수 없도록 한다. 예를 들어, 마그마 상승은 감압을 야기하며, 이는 휘발성 물질(예, 물)의 용해도 저하로 이어지고, 결국 용융체 내의 휘발성 물질이 버블의 형태로 용출된다. 이 버블은 마그마의 점성도를 높일 수도, 낮출 수도 있으며, 이는 표면 장력, 변형률 속도, 버블의 크기 등에 민감하게 의존한다. 결과적으로 마그마의 점성도가 변화한다면 마그마의 상승 속도가 변경되며, 이에 따라 감압의 속도가 달라져 버블 형성의 정도가 달라진다. 이 복잡한 되먹임(feedback) 구조는 마그마 상승 시작/종료 및 속도를 추정하는 데 있어 수치 모사 기법이 필수적임을 지시한다. 본 세미나에서는 마그마 등 다상유체를 다룰 수 있는 수치적 기법에 대해서 소개한다. 강원대학교 판구조론/지구동역학 연구실에서 자체 개발한 다상유체 소프트웨어(가칭, PAS)의 마그마 화도 내 마그마 거동 연구에 대한 활용 가능성을 제시한다. PAS를 기반으로 제작한 간단한 마그마 상승 모형을 이용해, 용융체 그 자체의 점성도에 따른 마그마의 상승 속도를 추정한다. 용융체의 점성도가 온도에 의존할 때, 화도 밖 모암과의 열교환으로 인해 용융체의 상승이 종료되는 현상을 재현한다. 용융체가 상승하면서 결정과 버블을 생성하며 점성도가 동적으로 변할 때 마그마 상승 속도가 변화하는 것을 재현한다. 버블의 크기에 따른 화도 내 상승 속도를 확인하고, 버블의 형태가 어떻게 변하는지 예측한다. 이 간단한 모형들을 한데 엮어 되먹임 구조를 구성할 수치해석학적 방안을 논의한다. 최종적으로 백두산 등 국내 화산에서 얻은 부석 구조와 암석으로부터 도출한 유변학 정보(예, 점성도 및 점성도의 압력/온도 의존성)를 입력자료로 적용한 수치모형을 통해 백두산 하부 마그마 화도 내 마그마 거동과 과거 분출 유형을 구속하는 연구를 제안한다.
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한반도 남동부 밀도 이상체에 의한 국지적 압축 응력이 단층 활성화에 미치는 영향
소병달(Byung-Dal So),김현섭(Hyeon Seob Kim),김민수(Minsu Kim),최한진(Hanjin Choi) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
한반도 남동부에서 발생한 경주지진(2016년 Mw5.5)과 포항지진(2017년 Mw5.4)은 판 경계가 아닌 판 내부에서 발생한 지진이다. 판 내부 지진의 기작을 이해하기 위해서는 판의 경계로부터 원거리에 있는 단층에 지속적인 응력을 제공하는 원인에 관한 연구가 필수적이다. 판 구조 운동으로 발생한 응력은 먼 거리에 존재하는 다수의 단층에 동시에 영향을 미치므로 판 내부 단층에 큰 응력을 전달해주기 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서, 한반도 남동부 지역에서 발생하는 지진의 응력원으로 국지적 응력 작용을 고려해야한다. 기존 판내부 지진에 관한 연구에서는 1) 액체 주입(Fluid injection)에 의한 지진 유발, 2) 빙하의 후퇴나 퇴적물의 침식 때문에 발생하는 단층의 수직 응력 감소(Fault unclamping), 3) 맨틀 대류에 의해 암석권 하부에 가해지는 끌림 힘(Basal traction), 4) 밀도의 이질성이나 지형의 급격한 변화에 따른 중력 포텐셜 에너지 차이를 응력의 원인으로 제시했다. 한반도 남동부에 관찰된 중력이상은 주변에 비해 높은 밀도를 가진 고밀도체가 존재할 수 있음을 제시했다. 남미 브라질의 판 내부 지진에 관한 중력 이상과 수치모사 조합 연구에서도 고밀도체가 지각을 당기면서 발생하는 응력이 주변의 단층을 재활성할 수 있다고 주장했다. 본 연구에서는 한반도 남동부 양산 단층 하부 일원에 존재하는 고밀도체의 하강으로 인해 발생하는 응력의 규모와 그에 따른 주변 단층의 응력 변화를 유한요소법으로 계산하기 위해 PyLith 솔버를 도입했다. 탄성 상부지각과 점탄성 하부지각 및 상부맨틀로 이루어진 모형을 제작하였고 고밀도체는 하부지각에 위치시켰다. 중력을 작동시킨 모형의 고밀도체가 주변 물질의 강도와 밀도 차이에 따라 하강하며 상부에 가해지는 응력을 파악하였고, 한반도 남동부에 위치한 단층에 전달되는 응력을 쿨롱 응력 변화(Coulomb stress change)를 통해 계산하여 단층이 활성화될 수 있을 만큼의 충분한 응력이 축적 가능한지 정량적으로 추정하였다. 또한 고밀도체가 하강하면서 교란된 주응력 축이 기존 연구에서 수압파쇄법으로 측정한 주응력 축과 유사한 결과를 보였다. 이는 한반도 남동부 지역의 국지적 응력원으로 고밀도체의 하강의 효과가 유요함을 암시한다.
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기계학습과 특징증대를 이용한 지진 카탈로그부터 지진 전조현상 요소 인식
장진수(Jinsu Jang),소병달(Byung-Dal So) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
지진 전조 현상은 대규모 지진의 발생 확률을 예측할 수 있는 유용한 지표이다. 지진 발생 시간, 진앙의 위치와 지진 규모를 포함하는 지진 카탈로그는 지진 전조 현상을 인식하기 위한 중요한 정보를 제공한다. 본 연구에서는 규모 6.5 이상의 지진에 대한 전조 현상을 인식하기 위해서 Global Centroid Moment Tensor (GCMT) 카탈로그로부터 얻은 다수의 특징으로 구성된 자료를 의사결정나무 기반의 기계학습 알고리즘인 eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) 분류기에 학습시켰고, SHapley Additive exPlanations (SHAP) 값을 사용하여 각 특징이 분류에 미치는 영향력을 평가하였다. 학습과 검증을 위한 지진 카탈로그는 2004년 이후의 GCMT 카탈로그를 사용하였다. 일정 수의 지진을 포함하는 시공간 윈도우를 설정하고, 이 윈도우 내에 존재하는 지진 사건의 통계량 (최댓값, 최솟값, 평균, 표준편차, 왜도, 첨도 등)을 사용하여 80개의 특징으로 증대하였다. 특징이 증대된 각 자료에는 각 윈도우로부터 3개월 이내에 규모 6.5이상의 지진이 발생한 여부에 따라 레이블을 할당하였다. 이와 같은 방식으로 최대 236,052개의 학습자료를 생성하였고, 이를 XGBoost 분류기에 학습시켰다. 학습모델의 일반적인 성능을 측정하기 위해 먼저 5겹 교차검증을 하였다. 5개 모델의 평균 정확도는 시공간 윈도우의 크기에 따라 최대 ~0.8이였으며, 표준편차는 ~0.01이였다. 그 후, 다른 출처의 카탈로그(예, JMA, USGS, SCSN)에 대해 모델의 정확도를 평가하여 학습되지 않은 자료에 대한 모델의 성능을 평가하였다. 모델의 평가 정확도는 ~0.4-0.6였으며, 이는 본 연구의 기계학습 분류기가 학습되지 않은 자료에 대해서도 충분히 전조 현상을 인식할 수 있음을 제시한다. SHAP 값을 통해 정량화한 특징의 중요도는 윈도우 내 지진의 최대 규모와 다음 지진이 발생할 때까지 소요된 시간이 가장 높았다. 중요도가 높은 10개의 특징으로 재구성된 자료를 학습한 결과, 모델의 정확도가 ~0.9로 향상되었다. 본 연구의 기계학습모델이 제시한 가장 중요도가 높은 두 특징은 지진 발생으로 인한 주변 단층의 응력 환경 변화와 지진의 규모와 지진 발생률의 증가가 전조 현상의 지표가 될 수 있다고 주장하는 연구를 뒷받침할 수 있다. 본 연구의 기계학습 모델은 지진 전조 현상에 대한 이해를 돕고, 지진에 의한 손실을 완화하는 데 기여할 것이다.
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다양한 점탄성 구조가 지진 후 변형에 미치는 영향: 한반도 및 동해 하부 구조와 강도에 관한 함의
김현섭(Hyeon Seob Kim),소병달(Byung-Dal So) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
지구내부물질은 점성과 탄성의 거동이 동시에 작용하는 점탄성 물질로 이루어져 있다. 점탄성 물질의 점성은 판 구조의 거동을 설명하는 주된 요소로 이를 파악하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 그 중 지진 후 점탄성 완화(Viscoelastic relaxation)가 있다. 점탄성 완화는 탄성 변형으로 발생한 응력이 완화하여 추가적인 변형이 나타나는 현상으로, 이 변형은 전단계수와 점성도의 비인 점탄성 이완 시간(Viscoelastic relaxation time)에 의존한다. 지진 주기에서는 지진 변형(Coseismic deformation) 이후 지진 후 변형(Postseismic deformation)에서 지구내부물질인 하부지각과 상부맨틀은 점탄성 완화가 발생한다. 최근 인공위성의 발달은 정밀한 지진 후 변위을 지표에서 관찰할 수 있게 되었고, 측지자료에서 관찰된 시계열에 따른 변위량과 지진 후 변형을 수치모사한 결과와 비교하여 하부지각과 상부맨틀의 점성도를 제안했다. 최근 인공위성의 발달은 지표에서 정밀한 지진 후 변위을 관찰할 수 있게 되었으며, 기존 연구에서는 측지자료에서 관찰된 시계열에 따른 변위량과 지진 후 변형을 수치모사한 결과와 비교하여 하부지각과 상부맨틀의 점성도를 제안했다. 2011년도 Mw 9.0의 동일본 대지진의 지진 및 지진 후 변형은 진원으로부터 먼 거리(최대 ~1,500 km)에 위치한 한반도 GPS (Global Positioning System)에서 관찰되었으며 이는 한반도 및 동해의 하부 물질의 강도를 파악할 수 있는 기회를 제공한다. 본 연구에서는 간단한 2차원 일본 섭입대 모형을 제작하여 유한 요소 솔버 Pylith를 사용해 지진 후 점탄성 완화를 수치모사 했다. 탄성 지각과 섭입대 사이에 위치한 단층에 지진 변형을 일으키고 점탄성 하부지각과 상부맨틀의 점성도를 조절하여 표면에서 발생한 변위를 계산했다. 관측 지점의 상부지각 두께와 하부지각 및 맨틀의 수직적, 수평적 점성도 구조에 따른 점탄성 완화 변형을 관찰하여 관측지 주변 내부물성이 표면변형에 미치는 영향을 확인했다. 상부지각의 두께가 두꺼울수록, 점성도가 클수록 보다 작은 변형이 나타났다. 또한 하부지각이 상부맨틀에 비해 점성이 낮을 경우 더 작은 변형이 발생했다. 다양한 점탄성 모형 즉, 맥스웰 모형(Maxwell body)과 버거스 모형(Burgers body)을 사용하여 기존 연구에서 동일본 대지진 이후 150일 동안 관찰된 한반도 및 동해 지역 GPS 측지자료와 비교했다. 맥스웰 모형 보다 버거스 모형의 결과가 측지자료의 초기 변형속도와 후기 변형속도를 잘 구속했고, 적용된 맨틀 점성도가 GIA (Glacial isostatic adjustment)로 추정한 전 지구 평균 맨틀 점성도에 비해 낮은 결과는 동해 하부 강도가 약할 수 있음을 암시한다.
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