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Seismic wave propagation in nonlinear viscoelastic media using the auxiliary differential equation method

Authors :
Ludovic Bodet
Fayçal Rejiba
Vincent Tournat
Roland Martin
Géosciences Environnement Toulouse (GET)
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)
Milieux Environnementaux, Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols (METIS)
École pratique des hautes études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans (LAUM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Le Mans Université (UM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)
École pratique des hautes études (EPHE)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Morphodynamique Continentale et Côtière (M2C)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN)
Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN)
Normandie Université (NU)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
École Pratique des Hautes Études (EPHE)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Le Mans Université (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Geophysical Journal International, Geophysical Journal International, Oxford University Press (OUP), 2019, 216 (1), pp.453-469. ⟨10.1093/gji/ggy441⟩, Geophysical Journal International, 2019, 216 (1), pp.453-469. ⟨10.1093/gji/ggy441⟩
Publication Year :
2019
Publisher :
HAL CCSD, 2019.

Abstract

(IF 2.78 [2018]; Q1); International audience; In previous studies, the auxiliary differential equation (ADE) method has been applied to 2-D seismic-wave propagation modelling in viscoelastic media. This method is based on the separation of the wave propagation equations derived from the constitutive law defining the stress–strain relation. We make here a 3-D extension of a finite-difference (FD) scheme to solve a system of separated equations consisting in the stress–strain rheological relation, the strain–velocity and the velocity–stress equations. The current 3-D FD scheme consists in the discretization of the second order formulation of a non-linear viscoelastic wave equation with a time actualization of the velocity and displacement fields. Compared to the usual memory variable formalism, the ADE method allows flexible implementation of complex expressions of the desired rheological model such as attenuation/viscoelastic models or even non-linear behaviours, with physical parameters that can be provided from dispersion analysis. The method can also be associated with optimized perfectly matched layers-based boundary conditions that can be seen as additional attenuation (viscoelastic) terms. We present the results obtained for a non-linear viscoelastic model made of a Zener viscoelastic body associated with a non-linear quadratic strain term. Such non-linearity is relevant to define unconsolidated granular model behaviour. Thanks to a simple model, but without loss of generality, we demonstrate the accuracy of the proposed numerical approach.

Details

Language :
English
ISSN :
0956540X and 1365246X
Database :
OpenAIRE
Journal :
Geophysical Journal International, Geophysical Journal International, Oxford University Press (OUP), 2019, 216 (1), pp.453-469. ⟨10.1093/gji/ggy441⟩, Geophysical Journal International, 2019, 216 (1), pp.453-469. ⟨10.1093/gji/ggy441⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....baaa5d86b4d67f24824df06a4cc91b06
Full Text :
https://doi.org/10.1093/gji/ggy441⟩