表面波伝播シミュレーションにおける粒子法の精度評価  [in Japanese] Accuracy of a particle method for modeling of Rayleigh waves  [in Japanese]

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複雑な地表面形状を有する地盤モデルに対して,精度よく地震波伝播シミュレーションをおこなうことは,物理探査の分野だけでなく地震防災や土木分野においても重要なことである。現在,rotated staggered grid (RSG) を用いた差分法 (FDM-RSG) により任意形状の地表面を導入することは容易であるが,十分な精度でそれを実現するには波長の長さに対して十分細かい格子を設定する必要があり,実際の地形を考慮した地震動シミュレーションをおこなうには多くの計算機資源を必要とするのが現状である。一方,粒子法による地震波動伝播シミュレーションも近年おこなわれており,自由境界条件の導入の容易さなどから表面波伝播シミュレーションに適用されてきているが,その精度に関してはまだ詳細に検討されていない。そこで本研究では,粒子法の一種である Hamiltonian particle method (HPM) を用いた表面波伝播シミュレーションをおこない,解析解や差分法による解と比較することでその精度を詳細に検討し,表面波伝播の再現性に対する粒子法の優位性を示す。<br>  解析モデルとして等方均質弾性体の半空間を設定し,Lamb の問題を解くことで解析解との比較をおこなう。自由表面が規則的な粒子・格子配置に沿って設定されているとき,粒子法・FDM-RSG による結果は解析解とよい一致を示した。しかし,自由表面と格子配置がある角度を持って設定されているとき,すなわち階段状に地表面を設定したとき,FDM-RSGでは解析解との誤差が大きくなった。一方,粒子法による結果はFDM-RSGによる結果よりも誤差は少なく,比較的精度よく表面波伝播を再現できることがわかった。また,振源周波数と伝播距離がどのように精度に影響するかも調べた結果,粒子法はFDM-RSGよりも少ない粒子数でより遠くまで精度良く表面波を再現できることを明らかにした。<br>

 Numerical simulation of seismic waves in a model realistically accommodating arbitrary shaped topography is important in exploration geophysics, earthquake disaster mitigation, environmental/civil engineering applications, etc. Finite difference method (FDM) can be applied to fairly complex model with simple manner using rotated staggered grid (RSG) technique. However, RSG scheme requires many grid points per a minimum wavelength to assure the accuracy sufficient for the simulation of surface waves propagating on an arbitrary-shaped ground surface. On the other hand, a Hamiltonian particle method (HPM) has been applied to simulate surface wave propagation taking advantage of the simplicity in the accommodation of free-surfaces. Although the particle method successfully simulated surface wave propagation, the accuracy of the method for modeling Rayleigh waves has not been verified quantitatively.<br>  In the present study, we investigate the accuracy of a Hamiltonian particle method, which is one of the particle methods, for the simulation of Rayleigh wave propagation. We calculate seismograms of the Lamb's problem using HPM and FDM with RSG (FDM-RSG), and compare them with those from the analytical approach. FDM-RSG solutions have the highest accuracy for amodel with a simple planar free surface aligned with the grid structure, however, suffer from the effect of inclined slope that may not be aligned with grids while those of HPM keep the accuracy enough to be applied in case of the inclined slope. We also investigate the accuracy of HPM for a range of the source frequencies and the offset distances. The results show that HPM can simulate surface wave propagation with smaller number of particles than FDM-RSG. Our numerical results indicate that HPM has some advantages over FDM-RSG in terms of the accuracy for modeling surface waves on arbitrary topography.<br>

Journal

  • BUTSURI-TANSA(Geophysical Exploration)

    BUTSURI-TANSA(Geophysical Exploration) 66(2), 85-95, 2013-04-01

    The Society of Exploration Geophysicists of Japan

References:  19

Codes

  • NII Article ID (NAID)
    10031178054
  • NII NACSIS-CAT ID (NCID)
    AN10028069
  • Text Lang
    JPN
  • Article Type
    ART
  • ISSN
    09127984
  • NDL Article ID
    024780655
  • NDL Call No.
    Z15-66
  • Data Source
    CJP  NDL  J-STAGE 
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