지진 파열 메커니즘의 수치 시뮬레이션 미시 거시 상호작용과 전단면 진화

초록

**
본 논문은 1990년대 이후 고성능 컴퓨팅 환경에서 발전한 다양한 수치 방법을 활용해 단층면의 미시적 상태 변화와 구조적 진화를 동시에 모사한다. 마찰 법칙, 입자 특성, 초기 파열 단계, 동적 파열 전파, 단층 구간 간 상호작용, 유체·열 효과 등을 포함한 복합 비선형 시스템을 계층적 모델링으로 접근한다.

**

상세 분석

**
이 연구는 지진 발생 메커니즘을 이해하기 위해 ‘미시‑거시’ 이중 구조를 갖는 수치 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 먼저 단층면의 마찰 거동을 기술하는 constitutive law, 즉 속도‑의존성 마찰법칙, 상태‑변수 기반 법칙, 그리고 열‑유체 상호작용을 포함한 복합 마찰 모델을 검토한다. 이러한 법칙은 입자 수준에서의 물리적 특성—예를 들어 입자 크기 분포, 강성, 파괴 강도—과 연결되어, 미시적 거동이 거시적 전단강도와 파열 전파 속도에 어떻게 투영되는지를 보여준다.

수치 해법으로는 경계 적분 방정식(BIEM), 유한 차분법(FDM), 유한·스펙트럴 요소법(FEM, SEM), 그리고 이산 요소·격자 고체 모델(DEM, LSM) 등을 비교한다. BIEM은 복잡한 경계 조건과 무한 매질을 효율적으로 처리하지만 비선형 마찰법칙 적용에 제한이 있다. 반면 FEM·SEM은 비선형 물성 및 복합 매질을 직접 구현할 수 있어 동적 파열과 열·유체 전이 과정을 동시에 모사하는 데 유리하다. DEM·LSM은 입자 간 접촉과 파괴 메커니즘을 미시적으로 재현함으로써, 파열 전 초기에 발생하는 미세 균열 성장과 응집 과정을 상세히 포착한다.

계층적 모델링 접근은 작은 규모(밀리미터‑센티미터)에서 관측되는 입자‑접촉 현상을 통계적 평균화 혹은 다중 스케일 연결을 통해 대규모(킬로미터) 단층 거동에 매핑한다. 이를 위해 고성능 병렬 컴퓨팅과 GPU 가속을 활용해 수천만 자유도를 가진 시뮬레이션을 실시간에 가깝게 수행한다. 결과적으로, 초기 파열 단계에서의 응력 집중, 파열 전파 중 발생하는 동적 응력 재분배, 그리고 복합 단층 구조(예: 굴곡, 교차 단층)와의 상호작용이 파열 규모와 방출 에너지에 미치는 영향을 정량화한다.

또한, 유체 압력 상승과 열 발생이 마찰 계수를 급격히 감소시키는 ‘유동화’ 현상을 모델에 포함시켜, 지진 전·후의 강도 저하와 후속 파열 연쇄를 설명한다. 이러한 통합 모델은 지진 사이클 전반에 걸친 (준)정적 누적 변형, 급격한 파열, 그리고 재균형 과정을 하나의 시뮬레이션 프레임워크 안에서 재현한다.

**