Finite-difference modeling with topography using 3D viscoelastic parameter-modified free-surface condition

粘弹性 离散化 自由面 曲面(拓扑) 边值问题 网格 边界(拓扑) 有限差分法 数学 数学分析 泊松方程 规则网格 数值分析 极限(数学) 有限元法 本构方程 有限差分 机械 几何学 物理 热力学
作者
Shuli Dong,Xu-Hui Zhou,Jingbo Chen
出处
期刊:Geophysics [Society of Exploration Geophysicists]
卷期号:88 (4): T211-T226 被引量:3
标识
DOI:10.1190/geo2022-0556.1
摘要

The free-surface boundary condition is a crucial aspect in the numerical modeling of (visco)elastic wave equations, especially when using a finite-difference (FD) method in the presence of surface topography. The parameter-modified method is a widely used approach to solve this problem. In this regard, the adaptive Poisson’s ratio parameter-modified method has proven to be effective in accurately simulating seismic surface waves within the FD discretization framework. Based on the equivalent medium theory, vacuum approximation, and mathematical limit, we develop a viscoelastic parameter-modified (VPM) method for the implementation of the free-surface boundary condition in the 3D viscoelastic wave equation. Our approach modifies the viscoelastic constitutive relation and density at the free surface and provides a formulation in terms of displacement and stress. We determine that our VPM method is more general than the viscoelastic stress-image method as it includes the latter as a limit case when the Poisson’s ratio equals zero. The presented free-surface method is represented implicitly within the FD grid, and we provide implementation details when simulating surface waves with topography in the standard staggered-grid FD scheme. We support our theory’s feasibility and accuracy through numerical examples.

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