3D Subsurface Geological Modeling of a Structurally Complex Area: A Case Study from Al-Hassa Oasis, Eastern Saudi Arabia. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abid's_PhD.pdf Restricted to Repository staff only until 8 June 2025. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُعد منطقة الأحساء معروفة بأهميتها الجيولوجية والهيدروجيولوجية، حيث كانت تضم أكثر من 280 نبعاً طبيعياً استُخدمت تاريخياً لري أكبر واحة في العالم. تقع الأحساء بالقرب من حقل الغوار النفطي، أكبر حقول النفط التقليدية على مستوى العالم. يستخدم هذا البحث المسوحات الجيوفيزيائية والدراسات الجيولوجية والهيدروجيولوجية لفهم وإعادة تصور التنوع الجوفي في منطقة واحة الأحساء. تغطي المنطقة المدروسة أكثر من 350 كم²، ولذلك قسمنا المنطقة إلى جزءين استناداً إلى البيانات المتوفرة لفهم الباطن بشكل أفضل. الجزء الأول يبلغ حوالي 40 كم² ويقع في منطقة منتزه الأحساء الوطنية شمال شرق واحة الأحساء. تم استخدام خمس طرق جيوفيزيائية في هذا الجزء: 210 محطات جاذبية، وخط مغناطيسي بطول 3.6 كم، وستة وأربعون محطة كهرومغناطيسية، وست محطات كهرومغناطيسية سمعية، وخمس وثلاثون محطة كهرومغناطيسية وقتية لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد للباطن في حديقة الأحساء الوطنية بأعلى دقة ممكنة. الجزء الثاني يشمل كامل واحة الأحساء ويغطي بـ 571 محطة جاذبية وبيانات هيدروكيميائية لـ 113 بئر مياه جوفية. كما استخدمت الدراسة بيانات الفوتوغراميتري الأرضية ودراسة الخصائص التركيبية التي تم الحصول عليها من متكشف صخري في الأحساء يغطي تكوين الهفوف من العصر الميوسيني الأعلى إلى البليوسيني الأدنى. في حديقة الأحساء الوطنية، تم معالجة جميع القياسات الكهرومغناطيسية ودمجها لتحقيق أقصى دقة من السطح إلى أقصى عمق للتحقيق. تم دمج البيانات الجاذبية والكهرومغناطيسية لإنشاء النموذج ثلاثي الأبعاد. لم تكن البيانات المغناطيسية مهمة، لذا لم يتم إجراء تفسير. أظهر نمذجة الباطن الجيوفيزيائي ثلاثية الأبعاد لمنطقة الدراسة بنية تحتية معقدة. كشف دمج مجموعات البيانات الجيوفيزيائية عن انقطاعات في المقاومة الجانبية، وبنية قبة ملحية محتملة، ومناطق كسور وفوالق ارضية تسهل أو تعيق تدفق المياه الجوفية. في الجزء الكامل من الأحساء، كشفت نمذجة الباطن الجيوفيزيائي ثلاثية الأبعاد عن تكوين تحتي معقد وكشفت عن تغيرات جانبية في الكثافة، مما يدل على وجود بنية قبة ملحية محتملة، بالإضافة إلى مناطق الكسر التي تعمل كممرات أو عقبات لتدفق السوائل تحت السطح. أظهرت النتائج الهيدروكيميائية والجيوفيزيائية المدمجة توافقًا جيدًا بين جودة المياه الجوفية وتوزيع الكثافة (التشوهات الجاذبية) داخل منطقة الدراسة. يعرض الجزء الجنوبي الشرقي من منطقة الدراسة تشوهات جاذبية إيجابية مميزة، مما يشير إلى تكوينات صخرية أكثر كثافة إلى جانب مواد صلبة ذائبة عالية (TDS) في المياه الجوفية، مما يعكس جودة المياه الرديئة. على النقيض من ذلك، يعرض الجنوب الغربي تشوهات جاذبية سلبية كبيرة، مما يشير إلى رواسب فضفاضة أو أحواض رسوبية وقيم TDS منخفضة، مما يدل على جودة مياه جيدة. بالإضافة إلى ذلك، كشفت الدراسة عن نمط في توزيع درجة حرارة المياه الجوفية، حيث تظهر المياه الباردة في المناطق التي تتميز بتشوهات جاذبية سلبية (الأحواض)، وتظهر المياه الأكثر دفئًا من المناطق التي تتميز بتشوهات جاذبية إيجابية. تشير هذه النتائج إلى أن اختلافات جودة المياه الجوفية قد تنشأ من تفاعلات متفاوتة مع الرواسب الجيولوجية المتميزة. قد تُعزى التغيرات في درجات الحرارة أيضًا إلى مسارات تدفق تحت السطح المختلفة. كشفت الاستقصاءات الهيكلية عن نظام كسر سائد يميل من الغرب الشمالي الغربي إلى الشرق الجنوبي الشرقي، وسلسلة من أنظمة الكسر الثانوية على التوجهات الشمالية الغربية-الجنوبية الشرقية والشمالية الشرقية-الجنوبية الغربية. يوحي ذلك بأن تفاعلًا معقدًا من الضغوط التكتونية قد شكل المنطقة عبر الأزمنة الجيولوجية. بوجه عام، تحاول هذه الأطروحة شرح العوامل المسيطرة على التباين تحت السطحي في منطقة واحة الأحساء، مع التأكيد على دور العناصر الجيولوجية والتكتونية والهيدروجيولوجية في تشكيل نمط الواحة تحت السطحي.

English Abstract

The Al-Hassa area is well-known for its geological and hydrogeological importance since it has historically boasted over 280 natural springs, which were used to irrigate the largest oasis in the world. Al-Hassa is located near the renowned Ghawar oil field, the largest conventional oil field globally. This study utilizes geophysical surveys and geological and hydrogeological investigations to understand and reconstruct the subsurface heterogeneity in the Al-Hassa Oasis area. The covered area in this study is more than 350 km2. Therefore, we divided the area into two parts based on the acquired data set to better understand the subsurface. The first part is about 40 km2 and is located in the Al-Hassa National Park area in the northeast of the Al-Hassa Oasis. Five geophysical methods were used in this part: 210 gravity stations, a 3.6 km magnetic profile, forty-six magnetotelluric, six audio-magnetotelluric, and 35 transient electromagnetic stations to reconstruct a 3D subsurface model for the Al-Hassa National Park with the highest accuracy. The second part consists of the whole Al-Hassa oasis and is covered with 571 gravity stations and 113 groundwater well hydrochemical data. This study also utilized ground photogrammetry data and regular structural field data acquired from a well-exposed outcrop in the Al-Hassa capturing the Upper Miocene to Lower Pliocene Hofuf Formation. In the Al-Hassa National Park, all electromagnetic soundings were processed and combined to achieve maximum resolution from the surface to maximum depth of investigation. Gravity and electromagnetic data were combined to create the 3D model. Magnetic data was unimportant, so no interpretation was made. The 3D geophysical subsurface modeling of the study area showed a complex underground structure. Integrating geophysical datasets revealed lateral resistivity discontinuities, a possible salt dome structure, and fracture zones that facilitate or impede groundwater flow. In the whole Al-Hassa part, the resulting 3D geophysical subsurface modeling unveiled an intricate subterranean configuration. It revealed lateral variations in density, indicating the presence of a potential salt dome structure, as well as fracture zones that serve as conduits or obstacles to the flow of the subsurface fluids. The combined hydrochemical and geophysical results show a good agreement between groundwater quality and density (gravity anomalies) distribution within the study area. The southeastern part of the study area exhibits distinctive positive gravity anomalies, indicating denser rock formations alongside high total dissolved solids (TDS) in groundwater, reflecting poor water quality. Conversely, the southwest displays significant negative gravity anomalies, suggesting loose sediments or basins and low TDS values, signifying good water quality. Additionally, the study reveals a pattern in groundwater temperature distribution, with cooler waters in the areas characterized by negative gravity anomalies (basins), and hotter waters emerging from areas with positive gravity anomalies. These findings suggest that groundwater quality differences may stem from varying sub-basins and interactions with distinct geological substrates. Temperature variations may also be attributed to differing subsurface flow pathways. The structural investigations revealed a dominant fracture system trending WNW-ESE, and a series of secondary fracture systems on NW-SE and NE-SW orientations. This suggests that a complex interplay of tectonic stresses has shaped the area over the geological timescale. Overall, this thesis tries to explain the controlling factors for the subsurface heterogeneity in the Al-Hassa oasis area, emphasizing the role of geological, tectonic, and hydrogeological elements in shaping this oasis's subsurface pattern.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Environmental Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Soupios, Panteleimon
Committee Co-Advisor:	Abu-Mahfouz, Israa
Committee Members:	Tawabini, Bassam and Hanafy, Sherif and Al-Shaibani, Abdulaziz M.
Depositing User:	ABID AHMED (g201605760)
Date Deposited:	09 Jun 2024 10:49
Last Modified:	09 Jun 2024 10:49
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142951