Integrated Hyper and Multispectral Image Analysis for Improving Geological Spectral Characterization and Resource Exploration. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmed Hammam Ph.D. Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (25MB)

Arabic Abstract

أصبحت تقنيات الاستشعار عن بُعد أداة قوية وفعّالة في الدراسات الجيولوجية، حيث تتيح تحليلًا طيفيا دقيقا وفعالا للصخور حيث تقدم معلومات طيفية عن المعادن المكونة للصخور في نطاق الطول الموجي المرئي-بالقرب من الأشعة تحت الحمراء - الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة، خاصة في المناطق الوعرة أو صعبة الوصول. ومع ذلك، لا يزال تفسير البيانات الطيفية للصخور يمثل تحديًا نظرًا لعدم التجانس الجيولوجي والكثير من العوامل المتحكمة في البصمة الطيفية، مما يؤدي غالبًا إلى غموض في التمييز بين الصخور وتحديد أهداف الاستكشاف. تقدم هذه الأطروحة إطارًا متكاملًا لتحسين التوصيف الطيفي الجيولوجي واستكشاف الموارد من خلال الدمج بين بيانات الاستشعار عن بُعد متعددة وفائقة الأطياف، والقياسات الطيفية المختبرية، والدراسات الحقلية والجيوكيميائية وتحليل النظائر المستقرة للكربون والأوكسجين. وتعالج الدراسة القيود الرئيسية في تفسير بيانات الاستشعار عن بُعد من خلال ربط الاستجابات الطيفية بالعوامل الجيولوجية المتحكمة فيها. في البداية تم استخدام بيانات الأقمار الصناعية متعددة الأطياف (Landsat-8 وSentinel-2 وASTER) وتم تطبيق تقنيات متقدمة لمعالجة هذه البيانات والتي تشمل معالجة البيانات الأساسية (PCA) والحد الأدنى لنسبة الضوضاء (MNF) ونسب الحزم الطيفية وذلك لتحسن التمييز بين الصخور وتخريط السحنات الكربوناتية. وتظهر نتائج الاستشعار عن بُعد تحسن الخرائط الجيولوجية القديمة واكتشاف سحنات كربوناتية في نطاق متكون جبل طويق والتي لم يتم القدرة على تحديدها سابقا. لحل مشكلة التداخل في البصمات الطيفية تم دمج القياسات الطيفية عالية الدقة باستخدام جهاز المطياف مع بيانات الاستشعار عن بعد لدراسة العوامل المتحكمة في التباين الطيفي وأظهرت النتائج أن الخصائص الطيفية للصخور الكربوناتية تتحكم فيها عوامل كيميائية (مثل التركيب المعدني، ونسبة معدن الدولوميت، ومعادن الطين، والحديد، والسيليكا) وعوامل فيزيائية (مثل حجم الحبيبات، والمسامية، ودرجة التجوية)، مما يوفر إطارًا قائمًا على العمليات لتفسير البيانات الطيفية. وبناءً على ذلك تم دمج بيانات فائقة الأطياف (PRISMA) ومتعددة الأطياف (Sentinel-2 وASTER) مع التحليل التركيبي والدراسات البتروغرافية والجيوكيميائية وبيانات النظائر المستقرة للكربون والأكسجين وذلك لتطوير نموذج استكشافي للذهب المرتبط بمناطق القص. وقد أظهرت نتائج التقنيات المتقدمة لمعالجة بيانات فائقة الأطياف PRISMA قدرة عالية على تحديد مناطق التحول الكربوناتية-السيليكاتية. إلا أن التمعدن يرتبط أساسًا بالبنية التركيبية الجيولوجية، خاصة مناطق الإجهاد العالي، وليس بوجود مناطق التحول فقط. تؤكد هذه النتائج أن دمج البيانات فائقة ومتعددة الأطياف مع المعطيات الجيولوجية المختلفة يعزز بشكل كبير دقة التفسير الجيولوجي وكفاءة الاستكشاف. وتقدم هذه الدراسة منهجية متكاملة قابلة للتطبيق في بيئات جيولوجية معقدة مماثلة لتحسين رسم خرائط السحنات الكربوناتية التي لها تطبيقات مباشرة على تحديد درجة نقاء الصخور الكربوناتية واستخداماتها المختلفة والتوصيف الطيفي واستكشاف تمعدنات الذهب.

English Abstract

Remote sensing techniques have become a powerful and efficient tool in geological studies, enabling accurate and effective spectral analysis of rocks, which provides continuous spectral information of rock-forming minerals over visible, near infrared-shortwave infrared wavelength regions, particularly in inaccessible or complex terrains. However, interpreting rock spectral data remains challenging due to geological heterogeneity and the multiple factors controlling spectral signatures, often leading to ambiguity in lithological discrimination and exploration targeting. This thesis presents an integrated framework for improving geological spectral characterization and resource exploration through the combined use of multispectral and hyperspectral remote sensing, laboratory spectroscopy, and field-based, geochemical, and stable carbon and oxygen isotopic analysis. The study addresses key limitations in remote sensing interpretation by linking spectral responses to their underlying geological controls. Multispectral datasets (Landsat-8, Sentinel-2, and ASTER) were first applied using advanced image processing techniques, including Principal Component Analysis (PCA), Minimum Noise Fraction (MNF), and band ratios, to enhance lithological discrimination and carbonate lithofacies mapping. The results demonstrate that remote sensing can refine geological maps and reveal previously unresolved carbonate lithofacies units of the Tuwaiq Mountain Formation (TMF). To resolve mixing in spectral signatures, laboratory spectroradiometer measurements were integrated with multispectral data to investigate the controls on spectral variability. The findings show that spectral signatures of carbonate rocks are governed by both chemical factors (mineralogy, dolomite content, clays, iron, and silica) and physical factors (grain size, porosity, and weathering), providing a process-based framework for interpreting spectral data. Building on these insights, hyperspectral PRISMA and multispectral Sentinel 2 and ASTER datasets were integrated with structural analysis, petrography, geochemistry, and stable carbon and oxygen isotope data to develop an exploration model for shear-zone-hosted gold mineralization. Advanced image processing of hyperspectral PRISMA results significantly improved the delineation of carbonate–silicification alteration zones; however, mineralization is shown to be strongly controlled by structural architecture, particularly high-strain shear zones, rather than alteration alone. These results highlight that integrating multispectral and hyperspectral data with geological constraints significantly enhances the reliability of geological interpretation and exploration targeting. This work establishes a transferable, multi-scale methodology for carbonate lithofacies mapping which have direct implication to determine purity of carbonate rocks and their various applications, spectral characterization, and gold mineral exploration in complex geological environments.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Khalid Al-ramadan,
Thesis Co-Advisor:	Ardiansyah Koeshidayatullah,
Thesis Committee Members:	Adhipa Herlambang, Basem Elsafty,
Depositing User:	AHMED HAMMAM (g202212020)
Date Deposited:	21 May 2026 05:54
Last Modified:	21 May 2026 05:54
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144395