Passive-source seismic methods for mineral exploration

Abstract

As mineral-exploration targets become deeper and more complex, global research focuses more and more on evaluating new ways to explore the subsurface in a quest for flexible and efficient tools that will safeguard sustainability. Such a tool is passive seismics. In this thesis we study and evaluate the use of earthquake-based passive seismic methods (i.e., methods that use earthquakes as passive seismic sources) for mineral exploration. For this, we initially design and launch a purely passive seismic survey for the exploration of the Gerolekas bauxite-producing mining site in Central Greece. The exploration target is the depth of appearance of the Parnassus-Giona flysch-limestone interface, which is directly linked to the bauxite deposits in the investigated area. We analyze the four-month-long continuous dataset and we locate the earthquake sources using two different location approaches. Following, we initially apply local earthquake tomography. To that end, we highlight the particularities of the implementation of this method at a mineral-exploration scale and perform all the necessary adaptations. We assess the quality of the process through evaluation of the ray coverage of the model space, as well as the implementation of a synthetic reconstruction test. We then apply simultaneous inversion for the velocity parameters and the hypocentral locations and we present the calculated P-wave velocity and Vp/Vs models, along with the relocated hypocenters of the microearthquake sources. We interpret the obtained models and provide information relative to the exploration target. Moreover, we further analyze the relocated microearthquakes through the calculation of focal mechanisms, providing additional information on active structures in the broader survey area. Finally, we use the obtained P-wave velocity model for the application of pre-stack depth migration during the reprocessing of legacy active-source seismic data that exist in the area. We then evaluate the application of transient-source seismic interferometry by autocorrelation for mineral exploration. We initially design a workflow that exploits the principles of reflected-wave seismic interferometry by autocorrelation and results in the retrieval of the P- and S-wave virtual reflection responses below each recording station, using the located microearthquakes as passive seismic sources. We explain each step of the proposed workflow through examples of the Gerolekas dataset and we evaluate the method’s applicability by means of forward modeling. We then interpret the retrieved P-wave virtual reflection responses and we conclude on the depth of appearance of the exploration target along selected profiles. We observe that this method’s vertical resolution, as well as its ability to detect interfaces between layers with a low velocity contrast, make it more adapt for the delineation of mineral targets. Finally, we show that application of shear-wave splitting analysis to the retrieved S-wave virtual reflection responses can provide information regarding the anisotropic characteristics of the geological formations of interest.

Η έρευνα για τον εντοπισμό ορυκτών πόρων αποτελεί σημαντικό κλάδο της μεταλλευτικής. Καθώς όμως τα διαθέσιμα κοιτάσματα κείτονται βαθύτερα και σε πιο πολύπλοκες συνθήκες, η αναγκαιότητα να βρεθούν αποτελεσματικότεροι και βιώσιμοι τρόποι για την εξερεύνηση του υπεδάφους γίνεται όλο και πιο επιτακτική. Η παρούσα διδακτορική διατριβή φιλοδοξεί να αξιολογήσει την εφαρμογή παθητικών σεισμικών μεθόδων με σκοπό τη διερεύνηση του υπεδάφους μιας μεταλλευτικής περιοχής, χρησιμοποιώντας ως σεισμική πηγή αποκλειστικά τη φυσική σεισμικότητα. Σε αυτό το πλαίσιο, σχεδιάσαμε και πραγματοποιήσαμε παθητική σεισμική μελέτη για τη διασκόπηση της ανεξερεύνητης μεταλλευτικής περιοχής του Γερολέκα, στην Κεντρική Ελλάδα. Ο μεταλλευτικός στόχος ήταν το βάθος στο οποίο απαντάται η επαφή φλύσχη-ασβεστόλιθου της ζώνης Παρνασσού-Γκιώνας, η οποία σχετίζεται με την εμφάνιση βωξιτικών κοιτασμάτων στην περιοχή. Αρχικά, αναλύσαμε τις συνεχείς παθητικές σεισμικές καταγραφές και υπολογίσαμε τους χρόνους γένεσης και τις θέσεις των υποκέντρων των τοπικών σεισμών, οι οποίοι αποτέλεσαν τις σεισμικές πηγές για την εφαρμογή δύο διαφορετικών μεθόδων έρευνας. Η πρώτη μέθοδος είναι η παθητική σεισμική τομογραφία τοπικών σεισμών. Εντοπίσαμε τις ιδιαιτερότητες της εφαρμογής της στο πλαίσιο έρευνας ορυκτών πόρων και πραγματοποιήσαμε όλες τις απαιτούμενες τροποποιήσεις. Αξιολογήσαμε την ποιότητα της εφαρμοζόμενης διαδικασίας μέσω της εκτίμησης της επάρκειας δεδομένων, αλλά και της πραγματοποίησης ελέγχου συνθετικής ανακατασκευής ενός απλού μοντέλου ταχυτήτων. Με την αντιστροφή των δεδομένων των μικροσεισμών, αφενός υπολογίσαμε την κατανομή των ταχυτήτων διάδοσης των σεισμικών κυμάτων χώρου στο υπέδαφος της περιοχής έρευνας, αφετέρου επανυπολογίσαμε τις υποκεντρικές θέσεις και τους χρόνους γένεσης των μικροσεισμών. Ερμηνεύσαμε τα αποτελέσματα, λαμβάνοντας υπόψη γεωλογικές πληροφορίες από γεωτρήσεις. Από την κατανομή των ταχυτήτων διάδοσης των σεισμικών κυμάτων, εκτιμήσαμε το βάθος στο οποίο απαντάται ο μεταλλευτικός στόχος. Επιπλέον, υπολογίσαμε και ερμηνεύσαμε τους μηχανισμούς γένεσης των μικροσεισμών προκειμένου να χαρακτηρίσουμε τμήματα ενεργών ρηγμάτων στην περιοχή. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε την υπολογισμένη κατανομή των ταχυτήτων διάδοσης των πρώτων κυμάτων κατά την επανεπεξεργασία παλαιών σεισμικών δεδομένων, δείχνοντας ότι η χρήση της βελτιώνει σημαντικά τη σεισμική απεικόνιση. Στη συνέχεια, σχεδιάσαμε μία αλληλουχία διαδικασιών, προκειμένου να εφαρμόσουμε τις αρχές της σεισμικής συμβολομετρίας ανακλώμενου κύματος μέσω αυτοσυσχέτισης του σήματος τοπικών μικροσεισμών στα πλαίσια της έρευνας ορυκτών πόρων. Εξηγήσαμε κάθε βήμα της προτεινόμενης μεθοδολογίας χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της παθητικής σεισμικής μελέτης του Γερολέκα, ενώ επιβεβαιώσαμε την εφαρμοσιμότητά της με τη χρήση συνθετικών δεδομένων. Ακολούθως, ερμηνεύσαμε τις εικονικές ανακλάσεις των πρώτων κυμάτων, εξάγοντας συμπεράσματα σχετικά με την επαφή ενδιαφέροντος. Διαπιστώσαμε ότι με την εφαρμογή της μεθόδου αυτής είναι εφικτός ο εντοπισμός ακόμα και επαφών μεταξύ σχηματισμών με περιορισμένη αντίθεση ταχυτήτων διάδοσης, ενώ η διακριτική της ικανότητα την καθιστά κατάλληλη για τον εντοπισμό μεταλλευτικών στόχων. Τέλος, προτείναμε την περαιτέρω επεξεργασία των εικονικών ανακλάσεων που προέκυψαν από την επεξεργασία των εγκαρσίων κυμάτων, εφαρμόζοντας τη μέθοδο της ανάλυσης του διαχωρισμού του εγκάρσιου κύματος, προκειμένου να εξάγουμε πληροφορίες σχετικά με την ανισοτροπία των διαφόρων σχηματισμών του υπεδάφους.