이방성을 고려한 시간영역 유한차분법 탄성파 모델링에서의 경계조건

Abstract

실제 매질에서 전파하는 파의 거동을 묘사하기 위하여 탄성파 모델링을 수행한다. 일반적으로 실제매질은 반무한 매질이나 컴퓨터를 이용한 수치모델링에서 반무한 매질을 표현하기는 쉽지 않다. 따라서, 유한한 크기의 모형을 가정하며, 이 경우 모형의 좌우 및 하부 경계는 가상의 경계이므로 이로부터 반사되는 인위적인 반사파들은 적절한 경계조건을 도입하여 제거되어야 한다. 최근 들어 등방성 매질 뿐 아니라 이방성 매질에 대한 연구가 증가하면서 이방성 매질에서의 경계를 적절히 표현해 줄 수 있는 방법이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 등방성 매질의 탄성파 모델링에서 가장 많이 이용되는 스펀지 경계조건, Clayton과 Engquist가 제안한 흡수경계조건, Higdon의 흡수경계조건 세 방법을 이방성 매질에 적용할 수 있도록 변형한 후 다양한 포아송의 비를 갖는 모형에 적용함으로써 세 경계조건의 특성을 분석해 보았다. Clayton과 Engquist의 흡수경계조건은 등방성 매질에서 포아송의 비가 클 때 불안정한 모습을 보이는데, 이방성 매질에서도 역시 같은 결과를 보여주었다. 스펀지 경계조건은 등방성 매질과 이방성 매질에서 매우 좋은 결과를 보여주었지만, 컴퓨터 메모리나 계산시간을 고려하였을 때 비효율적이다. 이에 반해 Higdon이 제안한 경계조건은 필요로 하는 컴퓨터 메모리와 계산시간이 적을 뿐 아니라 큰 각도로 입사되는 파에 의해 발생하는 반사파까지 효과적으로 제거하였다. 따라서 포아송의 비가 비교적 크게 나타나는 이방성 매질에서는 계산상의 효율성 등을 고려할 때 Higdon의 흡수경계조건이 적합할 것으로 생각된다.

Seismic modeling is used to simulate wave propagation in the earth. Although the earth’s subsurface is usuallysemi-infinite, we cannot handle the semi-infinite model in seismic modeling because of limited computational resources.For this reason, we usually assume a finite-sized model in seismic modeling. In that case, we need to eliminate the edgereflections arising from the artificial boundaries introducing a proper boundary condition. In this study, we changed threekinds of boundary conditions (sponge boundary condition, Clayton and Engquist’s absorbing boundary condition, andHigdon’s transparent boundary condition) so that they can be applied in elastic wave modeling for anisotropic media.We then apply them to several models whose Poison’s ratios are different. Clayton and Engquist’s absorbing boundarycondition is unstable in both isotropic and anisotropic media, when Poison’s ratio is large. This indicates that theyields good results for both isotropic and anisotropic media, it requires too much computational memory and time. Onthe other hand, Higdon’s transparent boundary condition is not only inexpensive, but also reduce reflections over a widerange of incident angles. We think that Higdon’s transparent boundary condition can be a method of choice for anisotropicmedia, where Poisson’s ratio is large.