Original paper

High-resolution terrestrial laser scanning and 3D modelling of a mineral deposit for extraction management optimisation

Schumann, Andreas; Arndt, Dirk; Wiatr, Thomas; Götz, Annette E.;Hoppe, Andreas

Abstract

Mineral deposits located in complex tectonic settings demand a precise prediction of the raw material capacity with respect to spatial extension, volume and raw material quality. Additionally, the reliable prognosis of the raw material capacity leads to economic and ecologic optimisation of the extraction management. Here, we use Terrestrial Laser Scanning (TLS) combined with 3D modelling to develop a high-resolution 3D structural model of a carbonate deposit (Muschelkalk) within a Saxonian graben structure (Hesse, Germany), where the future extraction will be restricted to smaller areas. TLS creates High Resolution Digital Elevation Models (HRDEM) and supports 3D modelling by using the range of different backscattered signals as thematic information. Differences within their ranges depend on specific rock properties and thus allow distinguishing between different rock types. Having the model built, the CaO content of the stratigraphic members is integrated using geochemical attribute classes. The combination of geochemical parameters with structural components in the 3D model enables to provide maps that display the spatial distribution of specific raw material characteristics within the mineral deposit. These maps serve to identify areas that fit to the specific raw material demand of a broad product range. Thus, our methods allow the characterisation of homogeneous rock units for extraction as well as for the optimisation of the future extraction management. Different extraction scenarios may be displayed and finally contribute to plan ongoing extraction activities.

Kurzfassung

Lagerstätten in tektonisch stark beanspruchten Gebieten erfordern genaue Vorhersagen ihrer Rohstoffkapazitäten hinsichtlich der räumlichen Erstreckung, des Volumens und der Rohstoffqualität, um den Abbau aus ökonomischer und ökologischer Sicht zu optimieren. Mittels Kombination von Terrestrischem Laserscanning (TLS) und 3D-Strukturmodellierung wurde ein hochauflösendes 3D-Modell einer Kalklagerstätte (Muschelkalk) innerhalb einer durch Saxonische Tektonik geprägten Halbgrabenstruktur (Hessen, Deutschland) erstellt, in der der zukünftige Abbau auf kleine Areale begrenzt sein wird. TLS-Daten bieten zwei entscheidende Vorteile: TLS erzeugt einerseits hochauflösende digitale Geländemodelle (HRDEM) und unterstützt zudem die Strukturmodellierung, indem die beim Messen erhaltenen Wertebereiche der reflektierten Signale als thematische Informationen verwendet werden. Diese sind an gesteinsspezifische Eigenschaften gebunden und ermöglichen die Unterscheidung verschiedener Gesteinstypen. Das Strukturmodell wurde in ein grid-basiertes Modell überführt, welches die CaO-Gehalte der verschiedenen stratigrafischen Einheiten als geochemische Attribute im Modell enthält. Die Verschneidung der geochemischen Parameter mit den strukturellen Inhalten des 3D-Modells ermöglicht die Bereitstellung von Karten, welche spezifische Rohstoffeigenschaften innerhalb der Lagerstätte räumlich abbilden. Dadurch wird die gezielte Rohstoffentnahme in Abhängigkeit des Bedarfs für eine breite Rohstoffpalette ermöglicht. Die hier angewandten Methoden erlauben nicht nur die Charakterisierung homogener Gesteinskörper für den aktuellen Abbau, sondern auch die Optimierung des zukünftigen Abbaumanagements, da sich mit ihnen Szenarien weiterführender Abbauplanungen aufzeigen lassen.

Keywords

3d modellinggocadterrestrial laser scanningmineral depositmuschelkalk