Abstract

This thesis presents the investigation results of interpreting hydrogeological and elastic properties in tailings storage facilities within the framework of hydrogeophysics.

In this research, two geophysical methods were used for data acquisition: Seismic refraction (SR) and Electrical resistivity imaging (ERI). The application of seismic refraction (SR) and multichannel analysis of surface waves (MASW) was to obtain seismic velocity models (i.e., V_p and V_s), whereas electrical resistivity imaging (ERI) was applied to obtain cross-section models with bulk electrical resistivity data. In this approach, the outputs of the SR method set the geometric constraint for the inversion of the apparent electrical resistivity data in the ERI model.

This research found that geophysical methods such as ERI and SR can retrieve high-resolution data from the subsurface of tailings facilities mapping the structure, the phreatic line, the dynamics of water, and detecting changes associated with the electrical resistivity response of the tailings media.

The thesis also describes the methods and workflow for establishing dependencies between the geophysical signature (i.e., compressional and shear wave velocity models, electrical resistivity models) and the physical and water-related properties of the tailings media. The dependences in the form of empirical equations are key for filling the gap of theoretical deductions.

Furthermore, this thesis contributes to the research field through a unified workflow for integrating petrophysical and ‘rock’ physics principles in the interpretation of geophysical data in tailings facilities. The interpretation describes and estimates quantitatively the state condition of the tailings subsurface in terms of hydrogeological (i.e., water saturation, water content, porosity) and elastic properties.

Tiivistelmä

Tämä väitöskirjatutkimus kuuluu hydrogeofysiikan piiriin, ja siinä tutkittiin rikastushiekan hydrogeologisia ja elastisia ominaisuuksia.

Rikastushiekka-altaiden (Brukungan kaivos Etelä-Australiassa ja Pyhäsalmen kaivos Suomessa) hydrogeofysikaalisia ominaisuuksia tutkittiin kahdella eri geofysikaalisella menetelmällä; seismisellä taittumisluotauksella (Seismic refraction, SR) ja sähköisellä maavastusmenetelmällä (Electrical Resistivity imaging, ERI). Seismisen taittumisluotauksen (SR) ja pinta-aaltojen MASW-analyysin avulla pyrittiin laatimaan tutkimuskohteina olleiden rikastushiekka-altaiden seismiset nopeusmallit (ts. V_p ja V_s), kun taas rikastushiekka-altaiden poikkileikkausmallien laatimiseen käytettiin maavastusmittausaineiston inversiota. Väitöskirjassa toteutetulla lähestymistavalla SR-menetelmän avulla saatiin geometriset reunaehdot näennäiselle inversiolle ERI-mallissa.

Tutkimuksessa havaittiin, että geofysikaalisilla menetelmillä, kuten ERI- ja SR-menetelmillä, voidaan saada resoluutioltaan tarkkaa numeerista tietoa rikastushiekka-altaiden tilasta, ja niiden avulla voidaan kartoittaa muun muassa rikastushiekka-altaiden rakennetta, freaattisen pinnan korkeutta, rikastushiekka-altaiden veden dynamiikkaa.

Tutkimuksessa havaittiin, että geofysikaalisilla menetelmillä, kuten ERI- ja SR-menetelmillä, voidaan saada resoluutioltaan tarkkaa numeerista tietoa rikastushiekka-altaiden tilasta, ja niiden avulla voidaan kartoittaa muun muassa rikastushiekka-altaiden rakennetta, freaattisen pinnan korkeutta, rikastushiekka-altaiden veden dynamiikkaa.

Empiiristen yhtälöiden muodossa olevien riippuvuussuhteiden selvittäminen on keskeistä, jotta teoreettista lähestymistapaa voidaan soveltaa rikastushiekka-altaiden kokonaisvaltaisessa hallinnassa. Väitöskirjassa kuvataan myös menetelmät ja työvuo, joilla määritetään petrofysikaalisten ominaisuuksien (ts. seismisten aaltojen nopeuden ja sähköjohtavuuden) ja rikastusallasmateriaalien geoteknisten ja veteen liittyvien ominaisuuksien riippuvuus. Näin saatu integroitu tieto kuvaa ja arvioi rikastushiekka-altaan hydrogeologista tilaa (vesipitoisuutta, huokosten kyllästyneisyysastetta ja vapaata huokoisuutta) ja kimmo-ominaisuuksia edistäen ja helpottaen rikastushiekkojen hydrogeofysikaalista karakterisointia.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Mollehuara-Canales, R., Kozlovskaya, E., Lunkka, J. P., Moisio, K., & Pedretti, D. (2021). Non-invasive geophysical imaging and facies analysis in mining tailings. Journal of Applied Geophysics, 192, 104402. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2021.104402

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Mollehuara Canales, R., Kozlovskaya, E., Lunkka, J. P., Guan, H., Banks, E., & Moisio, K. (2020). Geoelectric interpretation of petrophysical and hydrogeological parameters in reclaimed mine tailings areas. Journal of Applied Geophysics, 181, 104139. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2020.104139

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Mollehuara-Canales, R., Afonin, N., Kozlovskaya, E., Lunkka, J. P., & Pedretti D. (In press). Leveraging active-source seismic data in mining tailings: Refraction and MASW analysis, elastic parameters and hydrogeological conditions. Bulletin of the Geological Society of Finland.

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version