Early-arrival Waveform Inversion of Seismic Data to Explore a Volcanogenic Massive Sulfide (VMS) Ore Deposit in the Taif Region, Saudi Arabia. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis_Sebastian_final.pdf Restricted to Repository staff only until 15 January 2027. Download (10MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الرسالة دراسة متكاملة للعكس الزلزالي تهدف إلى تصوير البنية تحت السطحية لرواسب "الحوية" للكبريتيدات الكتلية البركانية (VMS) في منطقة الطائف بالمملكة العربية السعودية. يجمع البحث بين ثلاث طرق زلزالية تكاملية، وهي: التصوير المقطعي لزمن الانتقال (TTT)، وعكس الموجات السطحية (SWI)، وعكس الشكل الموجي للوصول المبكر متعدد المقاييس (MEWI)، وذلك لتحسين دقة ووضوح نماذج سرعة الموجات الأولية (P-wave) بشكل تدريجي لأغراض التنقيب عن المعادن. تم تحليل ثلاثة قطاعات زلزالية (SP1 وP3 وP4). وقد استُخدم القطاع SP1، بفضل إعدادات الاستحواذ عالية الدقة (تباعد المستقبلات 1 متر والمسافة بين المصادر 2 متر)، لتطبيق طرق العكس الثلاث جميعها، بينما تم تحليل القطاعين P3 وP4 حصرياً باستخدام التصوير المقطعي لزمن الانتقال (TTT). وفرت نتائج TTT نموذجاً عاماً للسرعة وحددت شذوذاً متوسط السرعة عند مسافة أفقية تبلغ حوالي 80 متراً وأعماق تتراوح بين 20 و40 متراً، وفُسّر هذا الشذوذ كجزء من بنية الـ VMS المرتبطة برواسب الحوية. من ناحية أخرى، عملت طريقة SWI على تحسين توزيع السرعة القريبة من السطح، حيث حددت ثلاث طبقات رئيسية تمثل مواداً غير متماسكة، ومضغوطة، ومتماسكة. وعلى الرغم من أن عكس الشكل الموجي للوصول المبكر (EWI) قام بتحسين مطابقة الشكل الموجي، إلا أن ظاهرة تخطي الدورة المتبقي حدت من أدائه، مما استدعى اعتماد نهج MEWI متعدد المقاييس. استخدمت طريقة MEWI أربعة نطاقات ترددية متتابعة (VLF, LF, MF, HF) لضمان استقرار التقارب والتقاط السمات الجيولوجية الكبيرة والدقيقة على حد سواء. قللت هذه الاستراتيجية متعددة المقاييس بشكل جوهري من خطأ عدم التطابق (misfit) من 0.2129 (في EWI) إلى 0.059681 (في MEWI)، مما أنتج نموذج سرعة أكثر تفصيلاً ومعقولية من الناحية الجيولوجية. يعزز نموذج MEWI النهائي وضوح الشذوذ المركزي الملاحظ عبر القطاعات، مما يدعم تفسير الامتداد تحت السطحي للمرتفع، مع توفير استقرار ودقة أفضل مقارنة بالطرق السابقة. وبمقارنة النتائج مع النطاقات الجيولوجية لنظام الحوية، نجحت النتائج الزلزالية في تصوير منطقة الأكاسيد (Oxide Zone) (0-35 متر) وامتدت إلى الجزء العلوي من المنطقة الانتقالية/منطقة الإثراء (Transitional/Enrichment Zone) (~35-60 متر). ومع ذلك، تقع منطقة الكبريتيدات الكتلية السليمة "Fresh" (>60-70 متر) خارج نطاق تغطية العمق الذي يمكن تحقيقه بمعاملات الاستحواذ المستخدمة، مما يؤكد الحاجة إلى تصميمات مسح بديلة لاستكشاف التمعدن الأعمق. بشكل عام، يوضح التكامل بين TTT وSWI وMEWI فعالية سير العمل القائم على العكس الزلزالي متعدد المقاييس في حل تراكيب السرعة المعقدة القريبة من السطح في المناطق المتمعدنة. وتسلط هذه النتائج الضوء على إمكانات الطرق الزلزالية كأداة فعالة من حيث التكلفة للتنقيب عن المعادن في المناطق غير المتجانسة جيولوجياً، كما توفر أساساً قوياً للدراسات الجيوفيزيائية المستقبلية داخل الدرع العربي.

English Abstract

This thesis presents an integrated seismic inversion study aimed at imaging the subsurface structure of the Hawiah Volcanogenic Massive Sulfide (VMS) deposit in the Taif region of Saudi Arabia. The research combines three complementary seismic methods, Traveltime Tomography (TTT), Surface Wave Inversion (SWI), and Multiscale Early-Arrival Waveform Inversion (MEWI), to progressively enhance the resolution and accuracy of P-wave velocity models for mineral exploration purposes. Three seismic profiles (SP1, P3, and P4) were analyzed. Profile SP1, with its high-resolution acquisition configuration (1 m receiver spacing and 2 m shot interval), was used to apply all three inversion methods, while Profiles P3 and P4 were analyzed exclusively using TTT. The TTT results provided a large-scale velocity framework and identified a moderate-velocity anomaly at an offset of approximately 80 m and depths of 20-40 m, interpreted as part of the VMS structure associated with the Hawiah deposit. The SWI refined the near-surface velocity distribution, delineating three principal layers representing unconsolidated, compacted, and consolidated materials. Although Early-arrival Waveform Inversion (EWI) improved waveform fitting, residual cycle skipping limited its performance and motivated the adoption of the Multiscale EWI (MEWI) approach. The MEWI method employed four sequential frequency bands (VLF, LF, MF, HF) to stabilize convergence and capture both large-scale and fine-scale features. This multiscale strategy substantially reduced the inversion misfit from 0.2129 (EWI) to 0.059681 (MEWI), producing a more detailed and geologically plausible velocity model. The final MEWI model enhances the definition of the central anomaly observed across the profiles, supporting the interpretation of the ridge’s subsurface continuation while offering improved stability and resolution relative to previous methods. Compared with the geological zonation of the Hawiah system, the seismic results successfully image the Oxide Zone (0–35 m) and extended into the upper portion of the Transitional/Enrichment Zone (~35–60 m). However, the Fresh Massive Sulphide Zone (>60–70 m) lies beyond the depth coverage achievable with the acquisition parameters used, underscoring the need for alternative survey designs to investigate deeper mineralization. Overall, the integration of TTT, SWI, and MEWI demonstrates the effectiveness of a multiscale seismic inversion workflow in resolving complex near-surface velocity structures in mineralized terrains. These findings highlight the potential of seismic methods as a cost-effective tool for mineral exploration in geologically heterogeneous regions and provide a robust foundation for future geophysical investigations within the Arabian Shield.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Hanafy, S
Committee Members:	Pilia, S and Whattam, S
Depositing User:	LUIS SEBAS GALLEGOS AGUILAR (g202315150)
Date Deposited:	18 Jan 2026 09:20
Last Modified:	18 Jan 2026 09:20
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144032