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지질매체 공극 구조에 대한 구성 엔트로피와 상자집계 프랙탈 차원의 지구물리학적 의미 및 응용: 무작위 패킹 시뮬레이션 연구
Geophysical Implications for Configurational Entropy and Cube Counting Fractal Dimension of Porous Networks of Geological Medium: Insights from Random Packing Simulations 원문보기

韓國鑛物學會誌 = Journal of the Mineralogical Society of Korea, v.23 no.4, 2010년, pp.367 - 375  

이범한 (서울대학교 지구환경과학부) ,  이성근 (서울대학교 지구환경과학부)

초록
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지구물질로 이루어진 공극 구조와 이를 채우고 있는 유체의 상호작용에 대한 이해는 지표 및 지구내부의 다양한 지질학적 현상의 설명에 필수적이다. 본 연구에서는 지구물질과 유체의 상호작용을 보다 잘 이해하기 위해, 비표면적과 공극률이 다공성 매질의 공극 구조를 설명하는 매개변수에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 입자의 지름과 공극률을 다양하게 하여 동일한 크기의 구형의 입자로 이루어진 다공성 매질에 대한 삼차원 공극 구조를 무작위 패킹 시뮬레이션으로 얻었고, 이에 대해 구성 엔트로피와 삼차원 상자집계 프랙탈 차원 분석을 하였다 구성 엔트로피 분석 결과, 엔트로피 길이는 비표면적이 2.4에서 $8.3mm^2/mm^3$으로 증가할 때 0.8에서 0.2 mm로 감소하고, 최대 구성 엔트로피는 공극률이 0.33 에서 0.46으로 증가할수록 0.94에서 0.99로 증가하는 뚜렷한 경향을 보인다. 구성 엔트로피와 공극률의 관계로부터 구성 엔트로피가 맨틀 용융체의 탄성과 점성도를 설명하는 변수로 사용될 수 있음을 제시한다. 삼차원 상자집계 프랙탈 차원은 비표면적이 같을 때 공극률이 증가함에 따라 증가하고, 비표면적이 2.4에서 $8.3mm^2/mm^3$으로 증가할 때 2.65에서 2.98로 증가한다. 이러한 삼차원 상자집계 프랙탈 차원과 비표면적, 공극률의 관계로부터 삼차원 상자집계 프랙탈 차원이 지진파 감쇠와 맨틀용융체를 포함한 다양한 지질매체의 구조와 무질서도를 설명하는 변수로 사용될 수 있음을 제시한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Understanding the interactions between earth materials and fluids is essential for studying the diverse geological processes in the Earth's surface and interior. In order to better understand the interactions between earth materials and fluids, we explore the effect of specific surface area and poro...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 고체-유체 복합체의 탄성 및 점성도에 대한 최근의 연구에 따르면 정규화된 체적탄성률, 전단탄성률, 체적점성도, 전단점성도 모두 인접도가 증가함에 따라 지수적으로 증가하며 탄성의 변화에 비해 점성도의 변화가 더 크다는 것이 제시되었다(Takei and Holtzman, 2009). 따라서 본 연구에서는 유체의 구성 엔트로피가 길이 단위에 관계없이 다공성 매질 내 탄성 및 점성도를 설명할 수 있는 매개 변수로 응용될 수 있다는 것을 제시한다.
  • 먼저 본 연구의 목적인 지구물질과 유체의 상호작용에 대한 이해를 위해 최근에 수행된 다양한 길이 단위에서의 연구에 대해 소개한다. 지구물질과 유체의 상호작용은 다양한 길이 단위에서 관찰이 가능하며 각각의 길이 단위에서 중요한 정보들을 얻을 수 있다.
  • , 2008). 본 연구에서는 삼차원 공극 구조에 대해 향상된 방법으로 상자집계 프랙탈 차원을 계산하고, 유체를 포함하고 있는 지구내부에서의 지진파 감쇠에의 적용에 대해 살펴보고자 한다.
  • +1)은 구성 엔트로피를 정규화하기 사용되었다. 본 연구에서는 이렇게 정의된 영상 자료에 대해 구성 엔트로피를 계산하고 맨틀 용융체의 거시적 성질과의 관계를 살펴보고자 한다.
  • )를 사용하여 수행하였다(Jia and Williams, 2001). 본 연구에서는 입자들이 원통형의 컨테이너에 중력에 의해 쌓이도록 모사하였다. 컨테이너의 지름은 252 픽셀이 되도록 하였고, 단일 지름의 구형 입자를 쌓을 때 지름이 8에서 20, 25에서 30까지 연속적인 정수 값을 갖도록 하였으며, 같은 지름의 구에서도 한정된 부피 내에 쌓이는 입자의 수를 다르게 함으로써 공극률이 서로 다른 다공성 매질을 얻도록 하였다.
  • 이를 이해하는 것은 지표에서 저류암 내 유류 및 탄화수소 기체의 이동 및 추출, 퇴적물 내 오염물의 이동, 이산화탄소 저장 등과 같은 산업적, 환경적으로 중요한 문제들과 더불어 지구 내부에서 암석-부분 용융체-유체의 복합체에 의한 지진파 감쇠 등 지구물리적 현상들을 평가하고 예측하는 데 있어서 필수적이다. 본 연구에서는 지구물질과 유체의 상호작용을 미시적으로 이해하기 위해 무작위 패킹 시뮬레이션을 이용하여 다양한 삼차원 공극 구조의 자료를 체계적으로 얻고, 구성 엔트로피와 삼차원 상자집계 프랙탈 차원을 분석하고, 이러한 매개 변수와 거시적 성질과의 관계에 대한 지구물리적 의미를 살펴보고자 한다.

가설 설정

  • 비표면적은 1픽셀을 47 µm로 가정하여 단위 부피당 면적(mm2/mm3)으로 변환하여 표시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지표 및 지구 내부에서 일어나는 다양한 지질학적 현상은 무엇으로 설명되는가? 지표 및 지구 내부에서 일어나는 다양한 지질학적 현상은 이를 구성하는 지구물질의 거시적 특성으로 설명되며 이는 원자 단위에서 마이크로미터 단위에 이르는 미시적 구조에 의해 결정된다(예: Lee, 2005; Lee and Lee, 2006; Lee et al., 2008; Lee et al.
본연구에서 말하는 지표 및 지구 내부에서 일어나는 가장 중요한 현상 중 하나는 무엇인가? 따라서 다양한 지질학적 현상을 이해하기 위해서는 지구물질의 미시적 구조를 관찰하고 이해하는 것이 필수적이다. 지구물질과 유체의 상호작용은 지표 및 지구 내부에서 일어나는 가장 중요한 현상 중 하나이다. 이를 이해하는 것은 지표에서 저류암 내 유류 및 탄화수소 기체의 이동 및 추출, 퇴적물 내 오염물의 이동, 이산화탄소 저장 등과 같은 산업적, 환경적으로 중요한 문제들과 더불어 지구 내부에서 암석-부분 용융체-유체의 복합체에 의한 지진파 감쇠 등 지구물리적 현상들을 평가하고 예측하는 데 있어서 필수적이다.
지구물질과 유체의 상호작용을 이해하는 것은 무엇들을 평가하고 예측하는 데 있어서 필수적인가? 지구물질과 유체의 상호작용은 지표 및 지구 내부에서 일어나는 가장 중요한 현상 중 하나이다. 이를 이해하는 것은 지표에서 저류암 내 유류 및 탄화수소 기체의 이동 및 추출, 퇴적물 내 오염물의 이동, 이산화탄소 저장 등과 같은 산업적, 환경적으로 중요한 문제들과 더불어 지구 내부에서 암석-부분 용융체-유체의 복합체에 의한 지진파 감쇠 등 지구물리적 현상들을 평가하고 예측하는 데 있어서 필수적이다. 본 연구에서는 지구물질과 유체의 상호작용을 미시적으로 이해하기 위해 무작위 패킹 시뮬레이션을 이용하여 다양한 삼차원 공극 구조의 자료를 체계적으로 얻고, 구성 엔트로피와 삼차원 상자집계 프랙탈 차원을 분석하고, 이러한 매개 변수와 거시적 성질과의 관계에 대한 지구물리적 의미를 살펴보고자 한다.
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참고문헌 (33)

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