지진학적 방법을 이용한 동북아시아 상부 맨틀 속도 구조 규명 및 맨틀 동역학과 판내 화산 활동에 대한 고찰

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 자연과학대학 지구환경과학부, 2021.8. 이준기.Volcanism and plate subduction are manifestations of vigorous mantle convection, and are important research subjects for understanding the thermodynamic state of the Earth's interior. Seismic waves propagating through the mantle reflect the physical properties of the mantle, providing detailed information on its thermal and compositional structure. Here we use various seismic methods to investigate the detailed upper mantle structure in northeast Asia where there are active intraplate volcanoes and ongoing plate subduction. Based on our results, we discuss the evolution of the upper mantle and mechanism of intraplate volcanism. Specifically, we apply teleseismic body-wave traveltime tomography to image the volcanic structure beneath Jeju Volcanic Island (Chapter 1), lithosphere and asthenosphere structures beneath the Korean Peninsula (Chapter 2), the stagnant Pacific slab and mantle transition zone structures (Chapter 3), and shallow asthenosphere structures beneath Quaternary volcanoes (Chapter 4). We measure relative arrival time residuals of the teleseismic P and S waves in high precision based on waveform similarity, and invert the datasets for constructing three-dimensional velocity structures using an iterative nonlinear tomography inversion technique. In Chapter 1, we use a unique dataset collected from the deployment of temporary broadband stations in Jeju Island and find out magmatic structures associated with a complex volcanic system that show evidence of a strong interaction between the continental lithosphere and ascending magmas. In Chapter 2, we image the detailed upper mantle structures beneath the Archean-Proterozoic massifs in the Korean Peninsula, which suggest the possible presence of a long-lasting lithospheric root that has experienced heterogeneous modification and reactivation at a craton margin in northeast Asia. In chapter 3, we image high-resolution deeper upper mantle structures including the mantle transition zone in northeast Asia by using the datasets of dense seismic arrays in the Korean Peninsula and southwest Japan. We find segmented stagnant Pacific slabs with a pronounced gap beneath the Korean Peninsula that was not revealed by previous studies due to limited resolution in this region. We detect and model wavefield variations of teleseismic body waves caused by the deeper upper mantle heterogeneities using 3-D waveform simulation. In the last chapter, we constrain thermal and compositional properties of the upper mantle based on quantitative assessment of high-resolution upper mantle seismic velocity models using thermodynamic calculations, mineralogical modeling, and seismic attenuation. We find evidence for shallow upper mantle melting zones focused beneath major Quaternary volcanoes and suggest an important role of shallow decompressional melting in developing and sustaining localized, long-lived intraplate volcanoes. Throughout all chapters, we have general implications for the origin, evolution, and relationships between the imaged upper mantle structures in the context of geology, tectonics, and geodynamics.화산 활동과 판구조 운동(예, 판의 섭입)은 지구 내부의 활발한 맨틀 대류를 입증하며, 지구 내부 열역학적 상태를 이해하는데 중요한 연구 대상이다. 지진파는 지각과 맨틀을 통과하면서 이들의 물리적인 상태를 반영하며, 이를 분석하여 지구 내부의 열적 및 성분적 특성에 대해 연구할 수 있다. 본 논문에서는 다양한 지진학적 방법을 활용하여 판 내 화산활동과 판의 섭입이 활발히 일어나고 있는 동북 아시아 상부 맨틀 구조를 연구한다. 구체적으로, 원거리 지진 주시 토모그래피를 사용하여 판 내 화산으로 알려진 제주도 하부 암석권 및 연약권의 구조(제 1장), 한반도 하부의 암석권 및 연약권 구조(제 2장), 동북아시아 지역의 상부 맨틀 전이대와 정체된 슬랩(제 3장), 한반도 주변 제 4기 화산체 하부의 얕은 연약권(제 4장)의 3차원 구조를 영상화하고 분석한다. 연구 자료로 원거리 지진의 실체파 신호(P, S파)를 이용하여 연구 지역에 조밀하게 설치된 지진계 간의 파형 유사성을 기반한 방법으로 정밀하게 측정된 상대 주시 잔차를 사용하며, 해당 잔차를 최소화할 수 있는 최적의 3차원 속도 구조 모델을 비선형 반복 역산 방법을 통해 구한다. 제 1장에서는, 서울대학교 지진학 연구실에서 제주도에 약 2년간 설치한 임시 지진 관측망 자료를 사용하였으며, 제주도 하부 상승하는 마그마와 대륙 암석권 간의 상호작용으로 발달한 복잡한 형태의 마그마 시스템을 영상화 하였다. 제 2장에서는 한반도의 시생대 및 원생대 대륙암권 하부의 상부 맨틀을 영상화하며, 그 결과 동북 아시아 대륙 연변부에서 불균질한 수정 및 재활성화를 겪은 오래되고 두꺼운 암석권 구조를 확인하였다. 제 3장에서는 한반도와 일본 남서부의 관측망 자료를 사용하여 한반도를 포함한 동북아시아 하부의 깊은 상부 맨틀 구조를 영상화 하였다. 그 결과 유라시아판 하부에 정체된 태평양 슬랩의 불균질한 분포를 확인하였고, 기존 연구에서 해상도 한계로 보이지 않았던 한반도 하부의 슬랩 간극의 존재를 새롭게 밝혀낸다. 또한 한반도에 기록된 원거리 지진의 S파를 분석하여 슬랩 간극에 의한 파면 왜곡을 관측하였고 이를 3차원 파형 시뮬레이션을 통해 모사하였다. 마지막으로 제 4장에서는 기존에 얻어진 고해상도 속도 구조 모델을 바탕으로 동북 아시아 상부 맨틀의 열적 및 성분적 특성을 열역학적 계산 및 지진파 감쇠 특성을 고려하여 정량적으로 추정한다. 그 결과 한반도 주변 제 4기 화산 지역(예, 울릉도, 독도, 백두산, 제주도, 한탄강 유역)의 국지적이고 지속적인 마그마 발달에 기여하였을 것으로 생각되는 집중된 얕은 연약권 맨틀의 부분 용융을 확인하였다. 전 장을 통틀어, 상부 맨틀 구조들의 기원, 진화, 그리고 상호 관계에 대해 지질학적, 지구조적, 그리고 지구동역학적인 관점에서 해석하고 논의한다.Introduction 1 Chapter 1. Imaging of Lithospheric Structure Beneath Jeju Volcanic Island by Teleseismic Traveltime Tomography 4 1.1 Introduction 4 1.2 Methods 10 1.3 Results and Discussions 38 1.4 Conclusions 64 Chapter 2. Heterogeneous Modification and Reactivation of a Craton Margin Beneath the Korean Peninsula by Teleseismic Traveltime Tomography 66 2.1 Introduction 66 2.2 Methods 73 2.3 Results and Discussions 95 2.4 Conclusions 109 Chapter 3. Segmented Stagnant Pacific Slab and Its Interaction with the Mantle Transition Zone Beneath Northeast Asia Continental Margin by Teleseismic Traveltime Tomography 111 3.1 Introduction 111 3.2 Methods 115 3.3 Results and Discussions 131 3.4 Conclusions 153 Chapter 4. Seismic Evidence of Persistent Intraplate Volcanism by Shallow Mantle Melting in Northeast Asia 154 4.1 Introduction 154 4.2 Methods 158 4.3 Results 188 4.4 Discussions 198 4.5 Conclusions 211 Summary and Conclusions 212 Bibliography 217 Abstract in Korean (국문 초록) 263박

도시 규모의 건축물 재생에너지 보급 효과 분석 프레임워크

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 기계항공공학부,2019. 8. 송성진.최근 건축물 내 태양광 패널, 태양열 온수기, 지열 히트펌프, 연료전지 등 재생에너지 보급이 증가하고 있다. 이러한 건축물 재생에너지 보급 증가는 도시의 에너지 믹스, 계통으로부터의 에너지 유입, 탄소 배출, 에너지시스템 비용 등의 변화를 유발한다. 위와 같은 건축물 재생에너지 보급 효과에 대한 지역 규모의 분석을 서울의 대표성 있는 1개 동에 대해 수행하였다. 태양에너지 외의 재생에너지원 및 건물별로 상이한 에너지시스템 구성을 고려하지 않은 기존 연구들과 달리, 본 연구에서는 지열 히트펌프와 연료전지도 포함하는 건물별 최적 에너지시스템을 대상 도심지의 모든 건물들에 대해 선형계획법으로 도출하였다. 건물별 시간 단위 전기, 냉방, 난방 부하패턴은 건물별 월 단위 전기 및 가스 사용량 데이터베이스로부터 추정하였다. 대상 동의 건축물 재생에너지원별 총 용량 및 에너지 공급량, 주거용 건물과 비주거용 건물의 재생에너지 믹스, 계통으로부터의 총 전기 및 가스 유입의 절감량과 시간별 총 전기부하의 변화 추이 등을 도출하고 상세히 규명하였다. 위와 같은 분석을 큰 도시에 대해 수행하려면, 매우 많은 건물 수로 인해 계산 시간이 지나치게 길어지는 문제를 해결해야 한다 (예: 서울(10만개 이상의 건물 포함)에 대해 2개월 이상). 본 연구에서는 훨씬 더 적은 시간(예: 서울에 대해 2일 이하)에 건축물 재생에너지원별 총 용량과 에너지 공급량, 계통으로부터 해당 도시로의 총 에너지 흐름 변화를 정확하게 도출하는 프레임워크를 새로이 제안하였다. 최적화 횟수 절감을 위해, 건물 유형, 월별 전기 및 가스 사용 추이, 지붕 면적이 유사한 건물들을 k-평균 클러스터링과 유전 알고리즘을 이용해 하나의 클러스터로 분류하고 각 클러스터 별로 가상의 대표 건물 하나를 생성한다. 대표 건물들에 대해서만 최적 에너지시스템을 도출한 후 그 결과를 각 클러스터 별 건물 수와 총 에너지 수요를 고려해 선형 스케일링하면, 실제 건물 개별 최적화로 도출한 도시 규모의 보급 효과와 매우 유사한 결과가 도출됨을 1개 구 규모의 테스트 케이스를 통해 확인하였다. 더 나아가, 해당 프레임워크를 이용해 큰 도시(서울)의 건축물 재생에너지 보급 확대 효과를 최초로 분석하였다. 구체적으로 미래의 건축물 재생에너지 보급 의무화 시나리오에 의한 예상 보급 효과, 그리고 재생에너지 의무비율 변화에 따른 총 탄소 배출 저감량과 탄소저감 단가의 변화를 도출하였다. 본 연구를 통해 정립된 프레임워크는 향후 건축물 재생에너지 보급 정책 설계를 위한 신뢰도 높은 정량적 분석 툴로써 기능할 것으로 기대된다.Recently, the integration of renewables such as photovoltaic panels, solar water heaters, ground-source heat pumps, and fuel cells into buildings is increasing. The increase of building-integrated renewables affects the energy mix, energy flows from the grid, CO2 emission, and energy system cost in cities. The urban-scale effects of increased building-integrated renewables have been investigated on a representative district (a Dong) in Seoul. Unlike the previous studies which did not consider non-solar renewables and the energy system configurations different for each building, this research considers the optimal building energy system (including ground-source heat pumps and fuel cells) for every building obtained by Linear Programming. Hourly electricity, cooling, and heating loads of each building have been estimated using the database of monthly electricity and gas usages in every building. The total capacity and energy supply of each renewable energy source, the renewable energy mix in residential and non-residential sectors, and variations in the electricity and gas flows from the grid to the district have been analyzed in detail. To carry out the investigation on a large city, the problem of long calculation time caused by a large number of buildings should be overcome. For example, the investigation on Seoul (over 105 buildings) may take more than two months. This research proposes a new framework for fast and accurate estimation of the total capacities and energy supply of the renewable energy sources and the variations in the energy flows from the grid in a large city (e.g. less than 2 days for Seoul). To reduce the number of optimizations, buildings with same building type, similar monthly electricity and gas usages, and similar roof area are categorized as a cluster, then a virtual representative building is generated for each cluster. Results from the optimizations for the representative buildings are linearly scaled considering the number of buildings and the total energy usage of each cluster. Consistency between the results from the proposed framework and the results from the optimization for every actual building has been validated by a case study on an aggregation of multiple districts (a Gu). Using the proposed framework, the collective effects of building-integrated renewables on a large city (Seoul) has been investigated for the first time. Two applications of the framework have been demonstrated− 1) the expected results of a future scenario of an obligation for building-integrated renewables; and 2) the variations in a total reduction in CO2 emission and the cost of a unit reduction in CO2 for varying renewable energy requirements for buildings. The framework developed by this research can be used as a reliable tool for quantitative policy design related to dissemination of building-integrated renewables.1. Introduction 1 1.1 Building-Integrated Renewables in Urban Areas 1 1.2 Literature Review 8 1.3 Motivation and Research Objectives 14 1.4 Thesis Organization 15 2. Problem Formulation 16 2.1 Flowchart 16 2.2 Inputs 18 2.3 Estimation of Hourly Energy Loads of Every Building 22 2.4 Optimization Problem (Apartment Building) 34 2.5 Optimization Problem (Non-residential Building) 38 2.6 Formula of the Urban Scale Results 44 3. Analysis on a District in a City 45 3.1 Test Case 45 3.2 Renewable Energy Mix in the Buildings 49 3.3 Comparison with an Actual Result of a Policy 54 3.4 Detailed Energy Mix of the Apartment Buildings 55 3.5 Detailed Energy Mix of the Non-residential Buildings 58 3.6 Total Energy from the Grid to the Buildings 63 3.7 Hourly Power Flow from the Grid to the Buildings 67 3.8 Comparison with Other Districts 70 4. Framework for a Large City 82 4.1 Concept for a Fast Estimation 82 4.2 Framework for Apartment Buildings 84 4.3 Framework for Non-residential Buildings 86 4.4 Validations of the Framework 100 4.5 Sensitivity Analysis 110 5. Applications of the Framework 116 5.1 A Scenario of the Obligation for Building-Integrated Renewables 117 5.2 Parametric Study: Cost-effectiveness of CO2 Reduction 127 6. Conclusions 136 6.1 Summary 136 6.2 Recommendations for Future Work 140 Appendix A. Models for Solar Energy Sources 142 Appendix B. An Example of the Optimal Energy Flows in a Building 147 Appendix C. Validity of the Multiple Linear Regression 151 Appendix D. The Representative Buildings for the Consistency Check 152 Appendix E. Validation of the framework with other conditions 155 References 156 요약(국문초록) 162Docto

아날로그 PA시스템 효율 향상을 위한 패킷 네트워크 구조에 관한 연구

학위논문(석사)--亞洲大學校 情報通信 大學院 :情報通信,2004testMaste

Eco-friendly colloidal quantum dot solar cells fabrication

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