Discrete element simulations of continental collision in Asia

Analogue physical modelling using granular materials (i.e., sandbox experiments) has been applied with great success to a number of geological problems at various scales. Such physical experiments can also be simulated numerically with the Discrete Element Method (DEM). In this study, we apply the DEM simulation to the collision between the Indian subcontinent and the Eurasian Plate, one of the most significant current tectonic processes in the Earth. DEM simulation has been applied to various kinds of dynamic modelling, not only in structural geology but also in soil mechanics, rock mechanics, and the like. As the target of the investigation is assumed to be an assembly of many tiny particles, DEM simulation makes it possible to treat an object with large and discontinuous deformations. However, in DEM simulations, we often encounter difficulties when we examine the validity of the input parameters, since little is known about the relationship between the input parameters for each particle and the properties of the whole assembly. Therefore, in our previous studies (Yamada et al.,2002a,2002b,2002c), we were obliged to tune the input parameters by trial and error. To overcome these difficulties, we introduce a numerical biaxial test with the DEM simulation. Using the results of this numerical test, we examine the validity of the input parameters used in the collision model. The resulting collision model is quite similar to the real deformation observed in eastern Asia, and compares well with GPS data and in-situ stress data in eastern Asia.

아시아 대륙충돌의 개별요소 시뮬레이션

조립질 물질을 이용한 축소모형실험(예를 들어 모래상자실험)을 다양한 크기의 많은 지질학적 문제에 성공적으로 적용되어왔다. 이러한 물리적 실험은 개별요소법(DEM)을 이용하여 수치적으로도 수행될수 있다. 이연구에서는 현재 지구상에서 가장 중요한 지구조적 과정 중의 하나인 인도판과 유라시아판의 충돌문제를 시뮬레이션하기 위해 개별요소법을 적용하였다. 개별요소 시뮬레이션은 구조지질학뿐만 아니라 토질역학, 암석역학 등의 다양한 동역학적 분야에 적용되어왔다. 조사대상이 많은 작은 입자들의 조합으로 가정되기 때문에 개별요소 시뮬레이션은 거대하고 불연속적인 변형이 일어나는 대상을 다룰 수 있다. 그러나 DEM 시뮬레이션에서는 개개 입자에 대한 입력변수들과 전체 물성의 관계에 대해 거의 알려져 있지 않기 때문에 입력 변수들의 타당성을 검증하기 어려운 경우가 자주 있다. 그러므로 이전의 연구들에서는 시행착오에 의해 입력변수를 조정하여만 하였다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여, 이 연구에서는 개별요소 시뮬레이션에 수치적인 이축 시험을 도입하였으며, 이러한 수치 시험 결과를 이용하여 충돌 모델에 사용되는 입력변수의 타당성을 검토하였다. 결과적인 층돌 모델은 동 아시아에서 관측되는 실제 변형과 매우 비슷하며, GPS 자료 및 동 아시아의 원위치 응력자료와 잘 대비된다.