주입 유발 지진의 하이브리드 XFEM 시뮬레이션

본 연구는 수리-역학적 확장 유한 요소(XFEM) 프레임워크 내에서 주입 유발 단층 재활성화를 시뮬레이션하기 위한 새로운 하이브리드 암시적-명시적(IMEX) 시간 적분법을 제안합니다. 유체 확산의 수일에서 동적 파열의 밀리초 미만에 이르는 극심한 시간 스케일 차이로 인해 이러한 시스템 모델링은 본질적으로 어렵습니다. 완전 암시적 방식은 무조건적인 안정성을 제공하지만, 파열 핵 생성 시 수치 정확도는 최소 시간 단계에 의해 엄격하게 제어됩니다. 이러한 급격한 과도 현상을 충분히 해결하지 못하면 불안정성이 지연되고, 슬립 속도가 낮아지며, 지진 모멘트가 과소평가됩니다. 파열 전파를 정확하게 포착하는 데 필요한 시간 해상도는 Courant–Friedrichs–Lewy(CFL) 조건에 의해 설정된 임계 시간 단계와 거의 동일합니다. 이를 해결하기 위해 제안된 IMEX 전략은 준정적 하중에 암시적 솔버를 사용하고, 슬립 속도 임계값에 도달하면 완전 동적 명시적 업데이트로 원활하게 전환합니다. 이 하이브리드 접근 방식은 완전 암시적 시뮬레이션에 비해 계산 비용을 60~77% 크게 절감하면서도 단층 슬립, 응력 변화 및 지진 규모를 정확하게 포착합니다. 완전 암시적 솔루션은 약간 더 높은 최대 슬립 속도와 파열 속도를 예측하는 경향이 있지만, 이벤트 타이밍과 최종 변형은 두 방법 모두에서 일관됩니다. 또한, IMEX 프레임워크의 효율성은 복잡한 슬립 탄젠트 연산자 계산과 독립적으로 확장되어 다중 스케일 지하 위험 평가를 위한 강력하고 효율적인 솔루션을 제공합니다.