Using Three-Component Data for Seismic Interferometry Studies at the Kylylahti Mine, Eastern Finland

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201905242115
Title: Using Three-Component Data for Seismic Interferometry Studies at the Kylylahti Mine, Eastern Finland
Author: Väkevä, Sakari
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201905242115
http://hdl.handle.net/10138/302127
Thesis level: master's thesis
Abstract: The reflection seismic surveying method is useful when conducting mineral exploration in the crystalline bedrock because of its good depth extent and resolution. However, the traditional experiments with active sources are expensive and difficult to carry out, especially in remote areas or in conservation areas where mineral exploration is limited due to environmental reasons. Recently, a number of theoretical advances have proven that passive soundings utilizing ambient seismic noise can provide new opportunities for seismic imaging and contribute to data generation for reflection seismic surveys, without the need for explosive or vibratory sources. One of the most promising new methods is seismic interferometry (SI), where the impulse response between two receivers is reconstructed by correlating their signals with each other. COGITO-MIN is a joint project between the University of Helsinki, the Geological Survey of Finland, Polish Academy of Sciences, and industrial partners with the aim of investigating and developing new cost-effective seismic exploration methods in the crystalline bedrock. Within the framework of the project, a passive seismic experiment was carried out in which 45 three-component geophones were deployed for a month in the vicinity of the polymetallic Kylylahti Mine in Polvijärvi, northern Karelia, where the mining operator is the Swedish metal company Boliden. The original purpose of these geophones was to collect data suitable for detecting underground cavities related to underground nuclear explosions. The institute that collected the data was CTBTO (Comprehensive Test Ban Treaty Organization) whose task is to monitor the treaty in the pre-ratification stage. The purpose of this Master's thesis was to develop an SI workflow for the three-component data and to investigate the method's performance in an area where local geology is known after nearly 40 years of exploration and consequent mining operations. The specific scientific objectives of the thesis are (1) to demonstrate the usefulness of collecting three-component data in conjunction with or instead of single-component data, (2) to assess the noise-based SI methods used in previous studies and to improve their stability in the crystalline bedrock, and (3) to investigate the possibilities of SI from an operational perspective. Seismic velocities obtained through laboratory measurements were merged with geological and density models of the target area provided by Boliden. The resulting velocity and density grids were then used as the basis for waveform modelling, and the results from SI were validated against them. The starting point for SI was the noise-driven approach where 'each sample matters'. The interferometric workflow is built on the Seismic Unix suite together with self-written algorithms that are based on theoretical evaluations. SI is followed by an imaging workflow, which provides the basis for the reflectivity profiles. The thesis work focuses on five components of the Green's tensor and the vertical, radial and transverse component of the impulse response. With the horizontal components, one can access the S-wave patterns in addition to the P-waves. As a specialty, the so-called sign bit normalization (SBN) method was also tested. The technique involves destroying much of the amplitude information of the original seismograms by only retaining the sign bit of each sample. According to the results outlined in this thesis, SBN can make it easier to image the weak reflectors of the subsurface. This type of seismic interferometry seems particularly suitable for the early stage of mineral exploration, where the explorer does not yet fully understand the target they are studying. The most important advantage of seismic interferometry, however, is its cost effectiveness, and its potential for reducing risks for the environment.Den reflektionsseismiska mätmetoden är nyttig då man bedriver mineralprospektering i den kristallina berggrunden på grund av dess bra djupdimension och upplösning. De traditionella experimenten med aktiva källor är dock dyra och svåra att utföras, särskilt i avlägsna trakter eller i naturskyddsområden där mineralprospektering är begränsad på grund av miljöskäl. Under den senaste tiden har ett antal teoretiska framsteg bevisat att passiva lodningar som utnyttjar omgivningens seismiska brus kan ge nya möjligheter till seismisk avbildning och bidra till datagenerering för reflektionsseismiska undersökningar, utan att det behövs några explosions- eller vibrationskällor. En av de mest lovande nya metoderna är seismisk interferometri där impulsresponsen mellan två mottagare rekonstrueras genom att korrelera deras signaler mot varandra. COGITO-MIN är ett gemensamt projekt mellan Helsingfors universitet, Geologiska forskningscentralen, Polska vetenskapsakademien och industripartner med syfte att undersöka och utveckla nya kostnadseffektiva seismiska prospekteringsmetoder i den kristallina berggrunden. Inom ramen för projektet genomfördes ett passivt-seismiskt experiment där 45 trekomponentsgeofoner distribuerades under en månad i närheten av den polymetalliska Kylylahtigruvan i Polvijärvi, norra Karelen, där gruvoperatören är det svenska metallföretaget Boliden. Det ursprungliga syftet med de här geofonerna var att samla in data som är lämpliga för att upptäcka underjordiska hålor relaterade till kärnvapenexplosioner. Institutet som samlade in datan var CTBTO (Comprehensive Test Ban Treaty Organization) vars uppgift är att övervaka det omfattande testförbudsfördraget i världen innan det har ratificerats. Syftet med denna magisteravhandling var att utveckla ett interferometriskt arbetsflöde för seismiska trekomponentsdata och att utreda metodens prestanda i ett område där den lokala geologin redan är välkänd efter nästan 40 år prospekteringar och efter den därpå följande gruvbrytningen. De specifika vetenskapliga målen till avhandlingen är (1) att påvisa nyttan med att samla in trekomponentsdata i sammanhang med eller i stället för enkomponentsdata, (2) att forska de brusbaserade interferometrimetoder som använts i tidigare studier och förbättra deras stabilitet i den kristallina berggrunden samt (3) att utreda möjligheterna för seismisk interferometri ur ett operativt perspektiv. Hastighetsvärden som erhållits genom laboratoriemätningar slogs ihop med Bolidens geologiska modell över målområdet. De resulterande hastighets- och täthetsrutnäten användes sedan som basen för vågformsmodellering, och resultaten från seismisk interferometri validerades mot dem. Utgångspunkten för seismisk interferometri var det brusstyrda tillvägagångssättet där "varje sampel räknas". Det interferometriska arbetsflödet bygger på Seismic Unix -produkten och självskrivna algoritmer som baserar sig på teoretiska resonemang. Interferometrin följs av ett avbildningssteg som utgör en grund för de seismiska tvärsnitten. Avhandlingsarbetet fokuserar på fem komponenter i Greentensoren samt den vertikala, radiella och transversa komponenten av impulssvaret. Med de horisontala komponenterna kan man komma åt S-vågor förutom P-vågorna. Som specialitet testades också den så kallade teckenbitnormaliseringen där amplitudinformationen hos de ursprungliga seismogrammen hade förstörts genom att endast lämna kvar teckenbiten på varje sampel. Enligt resultaten kan teckenbitnormaliseringen göra det lättare att avbilda markens svaga reflektorer. Denna typ av seismisk interferometri verkar särskilt lämplig för det tidiga prospekteringssteget, där prospekteraren ännu inte har fullständig förståelse för det föremål han studerar. Den viktigaste fördelen med seismisk interferometri är dock dess kostnadseffektivitet och potentialen för minskningen av miljöriskerna.
Discipline: none


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Vakeva_Sakari_Pro_gradu_2019.pdf 6.838Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record