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[학술저널]

콤솔 멀티피직스를 이용한 점탄성 자유 섭입 수치 모형에 관한 벤치마크 연구

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콤솔 멀티피직스를 이용한 점탄성 자유 섭입 수치 모형에 관한 벤치마크 연구

2차원 라그랑지안 유한요소법 틀 내에서

A benchmark study on viscoelastic self-consistent free subduction model using COMSOL Multiphysics : in the framework of 2D Lagrangian finite element method

금재윤(강원대학교) 소병달(강원대학교)

DOI : 10.14770/jgsk.2019.55.2.219

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초록

차갑고 밀도가 높은 해양 암석권이 맨틀 안으로 가라앉는 섭입은 판 구조 활동의 구동력이며 지구 내부 물질순환에 중요한 지구동역학적 현상이다. 지난 수십 년간 섭입 슬랩의 거동을 이해하기 위해 유한 요소법을 활용한 수치 모사 연구가 다수 수행되었다. 본 연구에서는 유한요소법에 기반한 콤솔 멀티피직스를 사용하여 슬랩이 중력에 의해 자발적으로 섭입하는 2차원 점탄성 자유 섭입 모형을 개발 및 벤치마크 하였다. 우리의 모형을 통해 구현된 슬랩 하강 속도(2.5-5.7 cm/yr)와 660 km 상변이대에서 점성도 증가로 인한 스테그넌트 슬랩의 발생은 과거 보고된 관측 및 실험 결과와 일치했다. 본 연구에서 계산한 모형 대부분이 섭입대에서 나타나는 해구 후퇴 현상을 도출했고, 충분히 빠른 해령 밀기 속도(>3 cm/yr)를 부가했을 경우에는 해구 전진 현상과 슬랩 내에 강한 응력 집중을 보였다(~3.5 GPa). 추가로 열적 매개변수와 부시네스크 근사를 도입하여 슬랩의 열적 구조와 역학적 거동 사이의 상관관계를 파악했다.

Subduction of cold and dense oceanic lithosphere into mantle is a driving force of plate tectonics and important for recycling of Earth materials. For many decades, the numerical modeling studies based on finite element method have been performed to understand dynamic behaviors of subducting slabs. In this study, we used the finite element software COMSOL Multiphysics to develop and benchmark 2D free subduction models, in which slab motion is self-consistently determined by force balance between gravity and resistance against subduction. We modeled slab sinking velocity (2.5-5.7 cm/yr) and morphological evolution due to the viscosity jump at 660 km phase boundary and ridge push velocity. These results are consistent with previous geophysical observations and numerical simulations. Most of the models in this study derived trench retreat similar to observation for subduction zones. Our models also showed trench advance and strong stress concentration within slab (e.g., ~3.5 GPa) in the case with sufficiently fast ridge push motion. Furthermore, we applied Boussinesq approximation and thermal parameter to our models, and found the correlation between thermal structure and dynamic behaviors of the slab.

목차

요약
ABSTRACT
1. 서론
2. 실험 방법
3. 결과
4. 토의
5. 결론
REFERENCES

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