[논문 리뷰] Assessing the brittle crust thickness from strike-slip fault segments on Earth, Mars and Icy Moons

Frédéric‐Victor Donzé, Yann Klinger외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 14.

earthquake and tectonic studies참고 문헌 64인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 이질적 Riedel 전단 구조의 간격과 비스듬한 각도를 연약한 지각 두께와 연결하는 기계적 모델을 수립하기 위해 이산 요소 시뮬레이션을 사용한다. 순수 횡방향 이완 조건에서 Riedel 간격이 약 3배 정도로 연약한 층 두께보다 큰 관계를 유도한 식(식 8)을 도출하여, 지구, 화성, 얼음 위성에서 관측된 단층 패tern을 통해 지각 두께를 추정할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Segment lengths along major strike-slip faults exhibit a size dependency related to the brittle crust thickness. These segments result in the formation of the localized 'P-shear' deformation crossing and connecting the initial Riedels structures (i.e. en-echelon fault structures) which formed during the genesis stage of the fault zone. Mechanical models show that at all scales, the geometrical characteristics of the Riedels exhibit dependency on the thickness of the brittle layer. Combining the results of our mechanical discrete element model with several analogue experiments using sand, clay and gypsum, we have formulated a relationship between the orientation and spacing of Riedels and the thickness of the brittle layer. From this relationship, we derive that for a pure strike-slip mode, the maximum spacing between the Riedels are close to three times the thickness. For a transtensional mode, as the extensive component becomes predominant, the spacing distance at the surface become much smaller than the thickness. Applying this relationship to several well-characterized strike-slip faults on Earth, we show that the predicted brittle thickness is consistent with the seismogenic depth. Supposing the ubiquity of this phenomenon, we extent this relationship to characterize en-echelon structures observed on Mars, in the Memnonia region located West of Tharsis. Assuming that the outer ice shells of Ganymede, Enceladus and Europa, exhibit a brittle behavior, we suggest values of the corresponding apparent brittle thicknesses.

연구 동기 및 목표

• 이질적 Riedel 구조 기하학과 연약한 지각 두께 사이의 정량적 관계 수립
• 모래, 점토, 석고를 사용한 유사 실험과 이산 요소 모델링을 통해 이 관계의 타당성 검증
• 유도된 관계를 지구, 화성, 얼음 위성과 같은 지각 활동이 있는 천체에서 연약한 층 두께를 추정하는 데 적용
• 예측된 연약한 두께가 지구의 주요 횡방향 이완 단층에서의 지진 발생 깊이와 일치하는지 평가
• 지역적 지질학적 데이터가 제한된 외계 천체에 이 모델의 적용 가능성을 탐색

제안 방법

• 접착된 입자 기반 이산 요소 모델(YADE DEM)을 사용해 점착성-마찰성 물질에서의 연약한 단층 형성 시뮬레이션
• 순수 횡방향 이완에서 변형 모드가 점차적으로 변형되는 조건(순수 횡방향 이완에서 기울어진 이완까지)에서의 점진적 단층 발달 시뮬레이션
• Riedel 전단 구조의 진화를 추적하여, 그 간격(S)과 비스듬한 각도(ω)를 연약한 층 두께(h)에 대해 측정
• 비선형 최소 제곱법을 사용해 식 8: S/h = f(ω) 유도 — 간격 비율과 비스듬한 각도 사이의 관계
• 기존의 유사 실험(모래, 점토, 호두, 석고) 및 현장 관측 결과와의 비교를 통해 모델 결과의 타당성 검증
• 식 8을 적용하여 지구, 화성, 얼음 위성에서 관측된 Riedel 구조를 바탕으로 연약한 지각 두께 추정

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적 Riedel 전단 구조의 간격과 비스듬한 각도는 연약한 지각 두께에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 재료와 변형 모드에서 Riedel 기하학과 연약한 층 두께 사이에 일관된 기계적 관계를 유도할 수 있는가?
• RQ3 Riedel 기하학에서 유도된 연약한 두께는 지구의 주요 횡방향 이완 단층에서의 지진 발생 깊이와 일치하는가?
• RQ4 직접 측정이 어려운 화성과 얼음 위성에서 이 관계를 신뢰성 있게 연약한 층 두께 추정에 적용할 수 있는가?
• RQ5 유도된 두께 추정치는 천체 지각의 기계적 거동과 진화에 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• 순수 횡방향 이완 조건에서는 Riedel 전단 간격의 최대값이 약 3배 정도로 연약한 층 두께보다 크다.
• 기울어진 이완 영역에서는 확장 응력 증가로 인해 표면에서의 Riedel 간격이 연약한 층 두께보다 크게 감소한다.
• 모델에서 도출된 식 8은 지구에서의 연약한 지각 두께를 성공적으로 예측하며, 그레인들드 포인트 단층의 추정치는 지진 발생 깊이와 일치한다.
• 화성의 멤노니아 지역에 적용한 결과, 22°의 비스듬한 각도와 3–4 km 간격을 가진 이질적 구조에 대해 연약한 층 두께는 2.1–2.8 km로 예측된다.
• 간드림에는 안샤르 술루스 지역에서 1.8–2.2 km, 전이 영역에서는 2.1–2.8 km의 두께 추정치를 얻었으며, 조석 응력 모델과 일치한다.
• 유로파의 경우, 예측된 얼음 층 두께는 2.2–3.6 km로 기계적 모델의 값과 겹치지만, 고대 구조나 두께 변화 해석에 도전적인 요소를 제기한다.