Numerical simulation of coseismic and postseismic deformation using finite element modeling with weak elastic fault

이혁재; 소병달

doi:10.14770/jgsk.2020.56.6.771

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자료유형: 학술저널

저자정보: 이혁재 (강원대학교) 소병달 (강원대학교)

저널정보: 대한지질학회 지질학회지 지질학회지 제56권 제6호

발행연도: 2020.12

수록면: 771 - 787 (17page)

DOI: 10.14770/jgsk.2020.56.6.771

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지진에 의해 발생하는 지각 변형을 관측하고 그것을 지구동역학적으로 수치모사하면 지구 내부의 기계적 물성을 추정할 수 있다. 지진이 발생하면 지진 변형(coseismic deformation)과 지진 후 변형(postseismic deformation)이 발생하는데, 이를 연속체 역학으로 모사하기 위해 다수의 연구에서 유한요소법을 도입했다. 단층미끄러짐은 불연속면에서 발생하는 현상으로 유한요소법으로 모사하기 어렵다. 본 연구에서는 낮은 전단 탄성계수를 가진 얇은 너비의 연속체의 형태로 단층을 근사한 수치모형을 개발하고, 기존 준 해석적, 측지학적 연구와 비교하였다. 점탄성 이완에 의한 지진 후 변형을 모사하기 위해 점탄성 하부지각과 맨틀 위에 탄성 상부지각과 단층을 배치하고 미끄러짐을 부가했다. 단층의 전단 탄성계수를 상부지각의 1/100 이하로, 단층 너비를 100m로 설정하면, 지진 변형, 지진 후 변형이 준 해석적 모형 대비 ~20%의 차이를 보인다는 것을 확인했다. 지진발생 후 상반과 하반이 단층 방향으로 끌려오며, 모형의 조건에 따라 그 속도가 0.01 cm/year 과 1 cm/year사이이다. 수십 년이 지나면 상반의 변형 방향이 바뀌고 결국 멈추게 되는데, 이는 단층의 재잠김 및 지진 간 변형(interseismic deformation)이다. 개발된 모형은 지진 사이클의 각 단계(지진 변형, 지진 후 변형, 지진 간 변형)를 모두 재현했다. 또한 하부지각과 맨틀의 점탄성 물성이 지진 후 변형을 일관되게 결정함을 제시했다. 긴 맥스웰 이완 시간이 정의되면 지진 후 변형 속도가 더 느리다. 예를 들어, 이완 시간이 1년과 50년일 때 상반의 지진 후 변형 속도가 각각 ~1 cm/year와 ~0.06 cm/year이다. 이 연구에서 개발한 모형이 보이는 지진 변형 및 지진 후 변형 양상과 하부 물성 사이의 강한 연관성은 약한 탄성체 단층을 맨틀과 하부지각의 강도 추정 연구에 도입할 수 있음을 의미한다.

Mechanical strength of the Earth’s interior can be estimated using geodynamic modelling of crustal deformation induced by earthquake. Coseismic and postseismic deformation occur in upper and lower plates after seismic slip along faults. Various studies applied Finite Element Method (FEM) to simulate this deformation, in the framework of continuum mechanics. Seismic slip is difficult to be modelled by FEM due to its nature of discontinuous interface. In the present study, we developed a numerical model containing an elastic fault as a form of continuum with low shear modulus and narrow width. We compared our results with the previous quasi-analytical and geodetical studies on coseismic and postseismic deformation. We assigned a fault and its seismic slip in elastic upper crust overlying viscoelastic lower crust and mantle to simulate postseismic deformation controlled by viscoelastic relaxation. We found that our models showed ~20% difference in coseismic and postseismc deformation compared to previous quasi-analytical solution, when shear modulus of fault is ~0.01 of that of upper crust and fault width is ~100 m. The both of upper and lower plates moved toward the fault with 0.01 cm/year to 1 cm/year velocity, which is consistent with previous geodetic studies. After decades, the upper plate moved away from the fault and eventually stopped, which refers to fault re-locking and intereseismic deformation. Our model reproduced seismic cycle successfully, i.e., coseismic deformation, postseismic deformation, and interseismic deformation. Furthermore, our model showed that viscoelastic property of lower crust and mantle consistently determines postseismic deformation pattern. When Maxwell relaxation times are 1 year and 50 years, the scales of postseismic deformation are ~1 cm/year and 0.01 cm/year, respectively. This strong correlation between mechanical properties of Earth’s interiors and postseismic deformation indicates that our method of weak elastic thin fault can be adopted to estimate the strength of mantle and lower crust.

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Baek, J. / 2012 / Coseismic and postseismic crustal deformations of the Korean Peninsula caused by the 2011 Mw 9.0 Tohoku earthquake, Japan, from global positioning system data / Terra Nova 24:295~300

Barbot, S. / 2010 / A unified continuum representation of post-seismic relaxation mechanisms: semi-analytic models of afterslip, poroelastic rebound and viscoelastic flow / Geophysical Journal International 182:1124~1140

Bedford, J. / 2016 / Separating rapid relocking, afterslip, and viscoelastic relaxation:An application of the postseismic straightening method to the Maule 2010 cGPS / Journal of Geophysical Research: Solid Earth 121:7618~7638

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