title: Development of a 360° hyperspectral drill core scanner. Test of technical conditions and validation of high-resolution near-field analysis of crystalline basement rocks using COSC-1 core samples
Creators: name: Koerting, Friederike
Publisher: name: GFZ German Research Centre for Geosciences
Year: 2019

description: Scientific Technical Report - Data ; 19/07
description: The Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides (COSC) project 
	supported by the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) and the Swedish Scientific Drilling 
	Program (SSDP) drilled a borehole through the Seve Nappe in Sweden to investigate mountain building processes. It 
	recovered 2.5 km of drill core. Five core samples from the depth from 1682 to 2469 m were analyzed in this thesis. 
	A hyperspectral imaging spectrometer (HySpex) was used to conduct the measurements. It is a two sensor system which 
	combines a VNIR and a SWIR sensor. The measurements were taken with a resolution of 0.22 mm/ pixel. As a comparison, 
	mineral maps based on Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) element measurements of approximately the same 
	resolution were used. This thesis developed a working process chain which includes 1) the adjustment of the 
	measurement parameters of the sensors to acquire optimal data cubes, 2) the "unrolling" of a drill core to depict 
	and analyze the whole core mantle surface and to map the distribution of minerals accurately not only over the 
	length but also the whole surface of the core and 3) the mineral mapping based on spectral absorption features with 
	the EnGeoMap algorithm. This can be seen as the beginning of the development of a stand-alone drill core scanner 
	including the geological evaluation by EnGeoMap. The measurements revealed a basic approach to determine the 
	integration time for the VNIR and the SWIR sensor based on the signal-to-noise ratio of the white reflectance 
	standard. An approach of a step-wise rotation of the core and a translation measurement and a mosaicking based on 
	the rectification of the core surface was developed. The stitching of several core images via key points was 
	deployed. The duration of the unrolling amounts to 22 h/ m of core and results in an hyperspectral mosaic of the 
	core mantle surface. Relative to the approximately 550 h needed to measure the surface area of 1 m of core with the 
	LIBS system, 22 h seems tolerable. The feasibility of the unrolling and the mosaicking of drill cores varies. In 
	scientific operations the accuracy is valued higher than the time-consumption, in industrial operations the time is 
	a big factor to make a project profitable. The mineral mapping with EnGeoMap proved to be very precise in case of 
	detecting the abundance of single minerals. When mapping multiple minerals, a bias towards a few minerals showed 
	which were mapped with higher abundances than in reality. This is due to mineral-dependent fit value thresholds and 
	has to be investigated further. When choosing few but distinct proxy minerals, EnGeoMap is a valuable tool to 
	evaluate the mineral abundances and the distribution over the course of a drill core, to highlight changes and to 
	give information about mineral assemblages.
description: Das "Collisional Orogeny in the Scandinavian Caledonides" (COSC) Projekt 
	untersucht Gebirgsbildungsprozesse in den Kaledoniden. Unterstützt durch das "International Continental Scientific 
	Drilling Program" (ICDP) und das "Swedish Scientific Drilling Program" (SSDP) wurde eine 2.5 km lange Bohrung durch 
	die Seve Nappe in Schweden niedergebracht. Fünf verschiedenen Kernstücke wurden analysiert, sie stammen aus der Tiefen 
	von 1682 bis 2469 m. Alle Proben wurden mit dem "HySpex" Sensor analysiert, dabei handelt es sich um ein hyperspektral, 
	abbildendes Spektrometer, das im VNIR- und SWIR- Bereich misst. Die Auflösung der Messungen betrug 0.22 mm/ Pixel.
	Daten eines laserinduzierten Plasmaspektrometers (LIBS) in vergleichsweiser Auflösung können als Vergleichswerte 
	herangezogen werden. Diese Arbeit entwickelte eine Prozesskette welche 1) das Ermitteln optimaler Messparameter für 
	unbekannte Proben, 2) das Abrollen der runden Kernoberflächen und 3) die Analyse anhand von spektralen 
	Absorptionsmerkmalen und die Erstellung von Mineralkarten mit dem EnGeoMap Algorithmus einschließt. Dies ist der 
	Anfang für einen allein operierenden Kernscanner welcher die geometrische Analyse der Oberfläche mit einer 
	mineralogischen Analyse durch den EnGeoMap Algorithmus verbindet. Die Messungen zeigten einen ersten Lösungsansatz 
	zur Bestimmung der Integrationszeit für den VNIR und SWIR Sensor welcher ans Signal-Rausch-Verhältnis der Weißreferenz 
	gekoppelt ist. Eine schrittweise Drehung des runden Kerns und Translations-Messungen ermöglichen das Erstellen eines 
	Mosaicks der gesamten, entzerrten Kernoberfläche. Die Dauer des Abrollens beläuft sich auf ca. 22 h/ m Kern, ein 
	Zeitraum der, verglichen mit den 550 h/ m Kern der LIBS Messung, durchaus annehmbar ist. Die Realisierbarkeit eines 
	solchen Abrollens der Kernobrefläche ist fallabhängig. In einem wissenschaftlichen Kontext ist die Genauigkeit der 
	Messung, die ein solches Abrollen ermöglicht, durchaus wertvoller als die dadurch investierte Zeit. Im industriellen 
	Einsatz spielt die Zeit eine entscheidende Rolle und die gesamte Kernoberfläche wird nur in Einzelfällen von Interesse 
	sein. Die Mineraldetektion durch EnGeoMap ermittelte sehr präzise Ergebnisse bei der Erkennung einzelner Minerale. Bei 
	der Ermittlung mehrerer Minerale auf eine Fläche neigt der Algorithmus dazu einige Minerale auf Grund ihrer spektralen 
	Eigenschaften überzubewerten und dadurch in höheren Abundanzen zu detektieren. Mineral-abhängige Passformwerte könnte 
	eine Lösung darstellen und müssen in Zukunft weiter untersucht werden. Eine Auswahl an wenigen aber eindeutigen 
	Indikator-Mineralen ermöglicht eine Einschätzung der räumliche Verteilung und Abundanz dieser Minerale über den 
	Verlauf dieses Kernes.