University of Oulu

Development of passive seismic interferometry to study shallow subsurface structure

Saved in:
Author: Afonin, Nikita1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Geology, Oulu Mining School (OMS)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526234632
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-11-11
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu, for public defence in the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 18 November 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Elena Kozlovskaya
Professor Juha-Pekka Lunkka
Reviewer: Doctor Mariusz Majdanski
Professor Savka Dineva
Opponent: Professor Florent Brenguier
Description:

Abstract

This thesis presents the results of the development passive seismic interferometry technique and its application for studying shallow subsurface structure in the stable intraplate area of the Precambrian Fennoscandian Shield. Knowledge about structure and mechanical properties of this part of the geological medium is important in the most applied tasks, such as mineral exploration, seismic hazard assessment, geotechnical site investigations, geoenergy projects.

The thesis briefly describes the theoretical background of passive seismic interferometry, conditions for its application and describes the new algorithm for passive seismic data processing developed as a part of this work. This algorithm allows for improvement in the quality of empirical Green’s functions (EGFs) evaluated from ambient seismic noise wavefield, produced by non-uniformly distributed sources of high frequency (higher than 1 Hz). In comparison with the most conventional algorithms of passive seismic interferometry, the proposed algorithm requires a much shorter duration of passive seismic data acquisition time, because diffusivity of the wavefield in that case is mostly ensured by multiple scattering.

The proposed methodology has been tested for several case studies located in different areas of Finland, that not only have different scales and targets, but also different spatial distribution and intensity of ambient seismic noise sources: Suasselkä postglacial fault — natural ambient seismic noise of relatively low- frequency; Kuusamo area — high-frequency noise of low energy; the area near the Pyhäsalmi underground mine — non uniform high-frequency seismic noise of high energy; Sodankylä area — anthropogenic and natural high-frequency seismic noise of low energy.

Results of the case studies presented in the thesis have demonstrated that using conventional passive seismic interferometry in applied tasks is not always possible under conditions of the Fennoscandian Shield. The development of the data processing common workflow has enabled the use of high-frequency non-uniform ambient noise wavefields to obtain information about seismic velocities and attenuations in studied shallow subsurface by passive seismic interferometry.

see all

Tiivistelmä

Tässä geofysiikan alaan kuuluvassa väitöskirjassa on kehitetty passiivista seismistä interferometritekniikkaa ja sen soveltamista maankamaran pintaosan rakenteiden ja mekaanisen koostumuksen tutkimukseen Fennoskandian kilven alueella. Geofysikaalisilla tutkimusmenetelmillä, kuten passiivisella seismisellä interferometritekniikalla, saatava tieto maankamaran pintaosien rakenteista ja koostumuksesta voidaan soveltaa muun muassa malminetsinnässä, seismisten riskien arvioinnissa, geoteknisissä tutkimuksissa ja geoenergiaprojekteissa.

Väitöskirjassa kuvataan lyhyesti passiivisen seismisen interferometrian teoreettista taustaa ja sen soveltamisen ehtoja sekä kuvataan osana tätä työtä kehitetty uusi passiivisen seismisen tiedonkäsittelyn algoritmi. Tämän algoritmin avulla voidaan parantaa ympäristön seismisen kohinan aaltokentästä arvioitujen empiiristen Greenin funktioiden (EGF) laatua, jotka on tuotettu epätasaisesti jakautuneista korkeataajuisista lähteistä (korkeampi kuin 1 Hz). Verrattuna tavanomaisimpiin passiivisen seismisen interferometrian algoritmeihin, väitöskirjassa kehitetty algoritmi vaatii olennaisesti lyhyemmän passiivisen seismisen tiedonkeruuajan, koska aaltokentän diffuusio varmistetaan siinä tapauksessa useimmiten moninkertaisella sironnalla.

Väitöskirjassa esitettyä menetelmää on testattu useilla eri kohdealueilla Suomessa. Kohteet, joilla menetelmää testattiin, erosivat ominaisuuksiltaan mittakaavansa, kohteiden maankamaran laadun, ympäristön seismisen melun tilajakauman ja intensiteetin suhteen. Suasselän postglasiaalisen siirroksen testialue edustaa matalataajuisen seismisen melun aluetta; Kuusamon alue matalan energian korkeataajuista seismistä melua; Pyhäsalmen kaivoksen lähellä oleva alue korkean energian epätasaista korkeataajuista seismistä melua ja Sodankylän alue ihmisen toiminnan ja luonnollisen ympäröivän lähteen tuottamaa korkeataajuista matalaenergistä seismistä melua.

Väitöskirjassa esitetyt tutkimustulokset osoittavat, että ns. konventionaalisen passiivisen seismisen interferometrian käyttö sovellettavissa tehtävissä ei ole aina mahdollista Fennoskandian kilven olosuhteissa. Väitöskirjassa kehitetty yhtenäinen tietojenkäsittelyn työnkulku mahdollistaa maankamara pintaosan tutkimisen passiivisen seismisen interferometrian avulla, kun ympäristön korkeataajuista ja epäyhtenäistä seismisen melun aaltokenttää käytetään seismisten nopeuksien ja vaimennuksien määrittämiseen.

see all

Osajulkaisut / Original papers

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

  1. Afonin, N., Kozlovskaya, E., Kukkonen, I., & DAFNE/FINLAND Working Group. (2017). Structure of the Suasselkä postglacial fault in northern Finland obtained by analysis of local events and ambient seismic noise. Solid Earth, 8(2), 531–544. https://doi.org/10.5194/se-8-531-2017

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Afonin, N., Kozlovskaya, E., Nevalainen, J., & Narkilahti, J. (2019). Improving the quality of empirical Green’s functions, obtained by cross-correlation of high-frequency ambient seismic noise. Solid Earth, 10(5), 1621–1634. https://doi.org/10.5194/se-10-1621-2019

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Afonin, N., Kozlovskaya, E., Heinonen, S., & Buske, S. (2021). Near-surface structure of the Sodankylä area in Finland, obtained by passive seismic interferometry. Solid Earth, 12(7), 1563–1579. https://doi.org/10.5194/se-12-1563-2021

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Afonin, N., Kozlovskaya, E., & Canales, R. M. (2022). Application of passive seismic interferometry for mapping mining waste storage facilities: A case study of Pyhäsalmi mine in Finland. Journal of Applied Geophysics, 202, 104669. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2022.104669

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3463-2
ISBN Print: 978-952-62-3462-5
Issue: 848
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 1171 Geosciences
Subjects:
Funding: I wish to acknowledge the CSC–IT Center for Science, Finland, for computational resources and KVANTUM Institute of the University of Oulu for financial support (ARCEMIS focus area spearhead projects).
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.