DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32272-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495188
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Moamen M. Badr وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء الجيولوجية ورسم الخرائط الجيولوجية
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة تحدي التمييز بدقة بين وحدات الصخور الأوفيوليتية في التضاريس المعقدة في صحراء مصر الجنوبية الشرقية. من خلال دمج بيانات الأقمار الصناعية متعددة الأطياف من Sentinel 2 و Landsat 9 (OLI 2) مع تحقيقات ميدانية شاملة وتحليلات بترغرافية، تقدم البحث إطارًا منهجيًا محسنًا لرسم الخرائط الصخرية لمجمع وادي غدير الأوفيوليتي. تم تطبيق تقنيات معالجة الصور الرقمية المتقدمة، بما في ذلك التركيبات اللونية الزائفة (FCC)، ونسب النطاقات (BR)، ونسبة الحد الأدنى من الضوضاء (MNF)، وتحليل المكونات الرئيسية (PCA)، وتصنيف الاحتمالية القصوى (ML) بشكل منهجي. ومن الجدير بالذكر أن تركيبة جديدة من نسب النطاقات من Landsat 9 (6/7، 6/5، 6/3) تميزت بفعالية بين الوحدات الصخرية الرئيسية مثل السيربنتينيت، والتلك-كربونات، والميتا جابرو، والديكورات الورقية، والحمم البركانية، بينما عززت PCA وMNF فصل الوحدات الجرانيتية والميتا رسوبية والبركانية.
تؤكد الخريطة الجيولوجية الناتجة بمقياس 1:25,000 على الابتكار في دمج بيانات الأقمار الصناعية مع التحقق الميداني لمعالجة الارتباك الطيفي وتحديات الرسم البياني النموذجية للتضاريس الأوفيوليتية النيوبرتو-زويقية. تؤكد الدراسة أن تقنيات الاستشعار عن بعد عالية الترتيب، المدعومة بالعمل الميداني والدراسات البترغرافية، يمكن أن تميز بكفاءة بين الوحدات الصخرية الحرجة. لا تعزز منهجية الرسم المطورة دقة التفسير الجيولوجي فحسب، بل توفر أيضًا نهجًا فعالًا من حيث التكلفة وقابل للتكرار لاستكشاف المعادن الإقليمي في بيئات مماثلة. قد تستفيد الأبحاث المستقبلية من زيادة التحقق الميداني، وصور عالية الدقة، وتغطية مكانية أوسع لتحسين المنهجية وزيادة قابليتها للتطبيق.
مقدمة
تستعرض المقدمة الخصائص الجيولوجية لتسلسلات الأوفيوليت في الصحراء الشرقية لمصر، وتحديدًا في مناطق الفوخير، والغدير، وأبو مريوة، وجرف. تتكون هذه التسلسلات عادةً من وحدة أساسية من الوشاح فوق المافيكي المتحول، وجابروهات طبقية وضخمة، وشبكة من الديكورات الورقية، وتُغطى بحمم البازلت الوسادة. ومع ذلك، فإن وجود الديكورات الورقية محدود بشكل ملحوظ في المنطقة المركزية، مع حدوث تشوه هيكلي كبير يؤدي إلى غياب بعض الصخور في العديد من التكوينات الأوفيوليتية.
توجد الأوفيوليت بشكل أساسي في شكل نوبات أو مزيجات، حيث يتميز الأخير بالسيربنتينيت ومجموعات الميتابازلت. تتكون الأقسام السفلية بشكل أساسي من هارزبرغيت، الذي يظهر غالبًا علامات على التشوه والتحول إلى مجموعات السيربنتينيت والتلك-كربونات. في منطقة وادي غدير، يتم تفكيك الوحدات الأوفيوليتية إلى حد كبير، حيث تكون التسلسلات المتماسكة نادرة. يُفسر أن الأوفيوليت في هذه المنطقة تشكلت داخل حوض خلف القوس فوق منطقة غمر مائلة نحو الشمال الشرقي، وتتكون من أنواع صخرية متنوعة بما في ذلك البيريدوتيتات السيربنتينية، والجابروهات الطبقية والضخمة، والميكروجابروهات، والديكورات الورقية، وحمم البازلت الوسادة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة من تحليل الاستشعار عن بعد، والتحقق الميداني، ومراجعة شاملة للأدبيات الأكاديمية للتحقيق في المجمعات الأوفيوليتية وتغيراتها الصخرية. تم هيكلة المنهجية في مرحلتين رئيسيتين: المعالجة المسبقة والمعالجة. تضمنت مرحلة المعالجة المسبقة تطبيق تصحيحات إشعاعية وجوية على صور Landsat-9 و Sentinel-2 لتحسين دقة الصورة قبل استخراج المعلومات الجيولوجية. على وجه التحديد، تم استخدام صور Landsat-9 من 5 أكتوبر 2023، التي تغطي وادي غدير، جنبًا إلى جنب مع صور Sentinel-2A من 3 نوفمبر 2023، حيث تمت معالجة كلا مجموعتي البيانات باستخدام أدوات البرمجيات مثل ENVI و ArcGIS.
بالنسبة لمرحلة المعالجة، نفذت الدراسة تقنية التركيب اللوني الزائف (FCC)، باستخدام طريقة عامل المؤشر الأمثل (OIF) لاختيار صور التركيب اللوني ثلاثية النطاقات المثلى. تركز هذه الطريقة الإحصائية على تقليل الارتباط المتبادل بين النطاقات الطيفية لتحسين التصور والتمييز بين الميزات في فضاء اللون RGB. تقيم طريقة OIF فعالية تركيبات النطاقات، مما يسهل إنشاء تركيبات لونية محسنة للتحليل الجيولوجي.
النتائج
أدى تطبيق تقنية OIF على صور Landsat-9 و Sentinel-2 إلى نتائج هامة بشأن التركيبات RGB المثلى لتصور التباينات الصخرية. بالنسبة لـ Landsat-9، كانت التركيبات الأكثر فعالية التي تم تحديدها هي 7،2،1، 7،6،2، و 7،6،1، مع التركيبة 7،5،3 التي توفر أفضل تصور شامل. في حالة Sentinel-2، تم اختبار التركيبات 2،11،10، 2،13،11، و 3،11،10، مع ظهور 2،12،11 كتركيبة قدمت أوضح تباين وتمثيل صخري.
تؤكد هذه النتائج على فعالية التركيبات اللونية الزائفة (FCCs) المختارة في تسليط الضوء على التباينات بين وحدات الصخور، مما يعزز القدرات التفسيرية لبيانات الاستشعار عن بعد في الدراسات الجيولوجية.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التقدم في الاستشعار عن بعد ومعالجة الصور الرقمية التي تعزز رسم الخرائط الصخرية في التضاريس المعقدة، لا سيما داخل الدرع النوبي المصري. أدى دمج مجموعات البيانات متعددة الأطياف من Landsat-9 و Sentinel-2، جنبًا إلى جنب مع التحليلات الميدانية والبترغرافية، إلى تحسين الدقة في تحديد الوحدات الأوفيوليتية والميتا بركانية. تم استخدام تقنيات مثل نسب النطاقات، وتحليل المكونات الرئيسية (PCA)، وتحولات نسبة الحد الأدنى من الضوضاء (MNF)، وتصنيف الاحتمالية القصوى (MLC) المُشرف لتحسين التمييز الصخري. تؤكد الدراسة على أن نهج متعدد الخوارزميات ضروري لرسم الخرائط الفعالة في التضاريس الأوفيوليتية غير المتجانسة، حيث لا تكفي تقنية واحدة لمعالجة الارتباك الطيفي.
تشير النتائج إلى أن بيانات Sentinel-2 تتفوق على Landsat-9 من حيث الدقة المكانية والطيفية، حيث تحقق دقة إجمالية تبلغ 95.8% مقارنة بـ 90.6% لـ Landsat-9. تتيح هذه القدرة المحسنة تمييزًا أفضل للوحدات الصخرية الأصغر أو الأكثر تعقيدًا، مثل الديكورات الورقية وحمم البازلت الوسادة. تقترح الدراسة تركيبات جديدة من نسب النطاقات لتمييز أنواع الصخور المختلفة، مما يظهر سير عمل قابل للتكرار يقلل بشكل كبير من عدم اليقين الميداني ويحسن دقة رسم الخرائط الجيولوجية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية استخدام صور متعددة الأطياف عالية الدقة وتقنيات المعالجة المتقدمة للتفسير الجيولوجي الفعال واستكشاف المعادن في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32272-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495188
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Moamen M. Badr et al.
Primary Topic: Geochemistry and Geologic Mapping
Overview
This study tackles the challenge of accurately distinguishing ophiolitic rock units in the complex terrains of Egypt’s South Eastern Desert. By integrating multispectral satellite data from Sentinel 2 and Landsat 9 (OLI 2) with extensive field investigations and petrographic analyses, the research introduces an enhanced methodological framework for lithological mapping of the Wadi Ghadir ophiolitic complex. Advanced digital image processing techniques, including False Color Composites (FCC), Band Ratios (BR), Minimum Noise Fraction (MNF), Principal Component Analysis (PCA), and Maximum Likelihood (ML) classification, were systematically applied. Notably, a new band ratio combination from Landsat 9 (6/7, 6/5, 6/3) effectively differentiated key lithological units such as serpentinite, talc-carbonate, metagabbro, sheeted dykes, and pillow lavas, while PCA and MNF enhanced the separation of granitic, metasedimentary, and volcanic units.
The resulting geological map at a scale of 1:25,000 underscores the innovation of combining satellite data with ground validation to address spectral confusion and mapping challenges typical of Neoproterozoic ophiolitic terrains. The study confirms that high-order remote sensing techniques, supported by fieldwork and petrographic studies, can efficiently distinguish critical lithological units. The developed mapping methodology not only enhances geological interpretation accuracy but also provides a cost-effective and reproducible approach for regional mineral exploration in similar environments. Future research may benefit from increased field validation, higher-resolution imagery, and broader spatial coverage to further refine the methodology and enhance its applicability.
Introduction
The introduction outlines the geological characteristics of ophiolite sequences in the Eastern Desert of Egypt, specifically in the El Fawkhir, El Ghadir, Abu Meriewa, and Gerf areas. These sequences typically consist of a basal serpentinized ultramafic mantle unit, layered and massive gabbros, a network of sheeted dykes, and are capped by pillow basalts. However, the presence of sheeted dykes is notably limited in the central region, with significant structural deformation leading to the absence of certain lithologies in many ophiolitic formations.
The ophiolites are primarily found in the form of nappes or mélanges, with the latter characterized by serpentinite and metabasalt assemblages. The lower sections are predominantly composed of harzburgite, which often shows signs of deformation and alteration into serpentinite and talc-carbonate assemblages. In the Wadi Ghadir region, ophiolitic units are largely dismembered, with coherent sequences being rare. The ophiolite in this area is interpreted to have formed within a back-arc basin over a northeast-dipping subduction zone, comprising various rock types including serpentinized peridotites, layered and massive gabbros, microgabbros, sheeted dykes, and pillow basalts.
Methods
In this study, a combination of remote sensing analysis, field validation, and a thorough review of academic literature was employed to investigate ophiolitic complexes and their lithological changes. The methodology is structured into two primary phases: preprocessing and processing. The preprocessing phase involved the application of radiometric and atmospheric corrections to Landsat-9 and Sentinel-2 imagery to enhance image accuracy prior to the extraction of geological information. Specifically, Landsat-9 imagery from October 5, 2023, covering Wadi Ghadir, was utilized alongside Sentinel-2A imagery from November 3, 2023, with both datasets processed using software tools such as ENVI and ArcGIS.
For the processing phase, the study implemented a Fales Color Composition (FCC) technique, utilizing the Optimum Index Factor (OIF) method to select optimal three-band color composite images. This statistical approach focuses on minimizing mutual correlation among spectral bands to improve visualization and feature discrimination in the RGB color space. The OIF method evaluates the effectiveness of band combinations, thereby facilitating the creation of enhanced color composites for geological analysis.
Results
The application of the OIF technique to Landsat-9 and Sentinel-2 imagery yielded significant findings regarding the optimal RGB combinations for visualizing lithological contrasts. For Landsat-9, the most effective combinations identified were 7,2,1, 7,6,2, and 7,6,1, with the combination 7,5,3 providing the best overall visualization. In the case of Sentinel-2, the combinations 2,11,10, 2,13,11, and 3,11,10 were tested, with 2,12,11 emerging as the combination that offered the clearest lithological contrast and representation.
These results underscore the efficacy of the selected false color composites (FCCs) in highlighting variations among rock units, thereby enhancing the interpretative capabilities of remote sensing data in geological studies.
Discussion
The discussion highlights advancements in remote sensing and digital image processing that enhance lithological mapping in complex terrains, particularly within the Egyptian Nubian Shield. The integration of multispectral datasets from Landsat-9 and Sentinel-2, alongside field and petrographic analyses, has led to improved accuracy in delineating ophiolitic and metavolcanic units. Techniques such as band ratios, Principal Component Analysis (PCA), Minimum Noise Fraction (MNF) transformations, and supervised Maximum Likelihood Classification (MLC) have been employed to optimize lithological discrimination. The study emphasizes that a multi-algorithm approach is essential for effective mapping in heterogeneous ophiolitic terrains, as no single technique suffices to address spectral confusion.
The findings indicate that Sentinel-2 data outperforms Landsat-9 in terms of spatial and spectral resolution, achieving an overall accuracy of 95.8% compared to 90.6% for Landsat-9. This enhanced capability allows for better discrimination of smaller or more complex lithological units, such as sheeted dykes and pillow lavas. The study proposes new band ratio combinations for distinguishing various rock types, demonstrating a reproducible workflow that significantly reduces field uncertainties and improves geological mapping accuracy. Overall, the research underscores the importance of utilizing high-resolution multispectral imagery and advanced processing techniques for effective geological interpretation and mineral exploration in the region.