DOI: https://doi.org/10.55730/1300-0985.2002
تاريخ النشر: 2026-01-22
المؤلف: Muazzez Çelık Karakaya وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيوكيمياء والتحليل العنصري
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة الأهمية الحاسمة لعناصر الأرض النادرة (REEs) في دعم النمو الاقتصادي والتقدم التكنولوجي، لا سيما في أوروبا، حيث تشكل اضطرابات الإمداد مخاطر كبيرة. تعتبر عناصر الأرض النادرة، التي تتكون من 15 عنصرًا بتركيزات طبيعية منخفضة، ضرورية لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الدفاع. لقد زاد الطلب المتزايد على هذه العناصر، جنبًا إلى جنب مع نقص البدائل، من الاهتمام العالمي بتوافرها واستخدامها المسؤول.
تدرس الدراسة أيضًا خصائص رواسب التربة الحمراء في تركيا، وخاصة تلك المرتبطة باحتياطيات البوكسيت الكارستية. تم تحليل مجموعتين متميزتين من التربة الحمراء: واحدة من تجاويف وشقوق الحجر الجيري الكارستي، والأخرى بالقرب من الصخور الأوفيوليتية. بينما تشترك كلا المجموعتين في ملفات معدنية وعناصر رئيسية مشابهة، إلا أنهما تظهران تباينًا كبيرًا في تركيزات العناصر النادرة، وخاصة REEs. تتراوح تركيزات REE في المجموعة الأولى من 206 إلى 433 جزء في المليون، بينما تتراوح في المجموعة الثانية من 853 إلى 4487 جزء في المليون. تشير أنماط REE المختلفة إلى عمليات تشكيل وأصول متميزة لنوعين التربة. نظرًا لمحتوى REE العالي في المجموعة الثانية، يوصي المؤلفون بمزيد من التحقيقات لتقييم الجدوى الاقتصادية لهذه التربة لاستعادة REE، مع التأكيد على الحاجة إلى دراسات مفصلة حول توزيعها المكاني وتركيزها.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية المواد الخام الحيوية (CRMs)، وخاصة عناصر الأرض النادرة (REEs)، في التقنيات المتقدمة وآثارها الاقتصادية. تعتبر CRMs ضرورية للأداء التكنولوجي وتتعرض لمخاطر الإمداد، مما يستلزم جهود الاستكشاف والاستخراج. تسلط الورقة الضوء على الاعتراف المتزايد بـ REEs كـ CRMs، مما دفع إلى زيادة البحث في احتياطياتها وطرق استعادتها، لا سيما في سياقات جيولوجية مختلفة. ومع ذلك، هناك نقص ملحوظ في الدراسات التي تركز على إمكانيات REE للتربة الحمراء، وخاصة التيرا روسا، التي تتشكل تحت المناخات شبه الاستوائية من تآكل الحجر الجيري.
تهدف الدراسة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال فحص محتوى REE للتربة الحمراء في منطقة سيديشهر-أكسكي في تركيا، حيث تقع رواسب بوكسيت كبيرة من النوع الكارستي. تتميز هذه التربة بتكوينها من الطين، والغرين، والرمل، وتظهر تركيزات متغيرة من REE تتأثر بعوامل مثل التآكل وتركيب الصخور الأم. ستقوم البحث بتقييم الخصائص المعدنية والجيولوجية لهذه التربة الحمراء، مما يوفر رؤى حول نشأتها والعلاقة بين التركيب الصخري الأم وتوزيع REE. هذه التحقيقات ذات صلة خاصة نظرًا للطلب المتزايد على REEs في التطبيقات عالية التقنية والحاجة إلى إدارة مستدامة للموارد.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم جمع حوالي 500 جرام من التربة الحمراء من أربعة عشر موقعًا على عمق 20-30 سم لإجراء تحليلات معدنية وجيولوجية. تم غربلة العينات لعزل أجزاء الرمل الناعم والغرين، ثم تم طحنها باستخدام مطحنة حلقة العقيق. تم تحليل التركيبات المعدنية عبر حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز قياس حيود Rigaku D/MAX 2200 PC، مع استخدام إشعاع CuKα. تم تحديد المعادن الطينية من خلال التجمعات الموجهة التي خضعت لمعالجات حرارية وإيثيلين غليكول. تم تقييم السلوك الحراري للعينات من خلال التحليل الحراري التفاضلي-التحليل الحراري (DTA-TG)، بينما تم فحص الخصائص الشكلية باستخدام مجهر إلكتروني مسح ميداني (FESEM).
تم إجراء التحليلات الكيميائية في مختبرات مختلفة، بما في ذلك الفلورية بالأشعة السينية (XRF) للأكاسيد الرئيسية والعناصر النادرة، وقياس الطيف الكتلي بالتحليل الطيفي المتصل (ICP-MS) للعناصر النادرة وعناصر الأرض النادرة (REEs). تراوحت حدود الكشف للأكاسيد الرئيسية من 0.001% إلى 99.99%، بينما كانت حدود العناصر النادرة من 1-10,000 جزء في المليون. تم استخدام طريقة هضم حمضي من مرحلتين لتحليل ICP-MS، مع استخدام مواد مرجعية معتمدة لضمان الدقة. تم حساب الشذوذات لليوروبيوم والسيريوم بناءً على تركيزات REE التي تم تطبيعها إلى قيم صخور الشيل الأسترالية بعد الأركي (PAAS).
النتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيف التربة الحمراء المرتبطة برواسب البوكسيت إلى مجموعتين بناءً على سياقاتها الجيولوجية: تلك القريبة من وحدات الحجر الجيري وتلك القريبة من المزيج الأوفيوليت. أظهرت كلا المجموعتين توزيعات حجم حبيبات مشابهة، تتكون في الغالب من 89% رمل و11% غرين وطين، مع توزيع حجم حبيبات ثنائي النمط يتراوح من 0.594 إلى 240 ميكرومتر. كانت مستويات pH محايدة، بمتوسط حوالي 7.96، وكشف تحليل التركيب المعدني عن البوهيميت كالمعدن الرئيسي للألومينا، إلى جانب كميات محدودة من الهيماتيت والجوثيت. من الجدير بالذكر أن المجموعة الثانية أظهرت مساحات سطحية وقدرات امتصاص أعلى بكثير، مما يشير إلى تفاعلية محسنة مقارنة بالمجموعة الأولى.
أشار التحليل الحراري إلى فقدان إجمالي للوزن يبلغ حوالي 13% عند تسخينه إلى 900 درجة مئوية، ويرجع ذلك أساسًا إلى فقدان الماء الهيكلي وتحولات الطور للمعادن. أظهر تحليل التركيب الكيميائي أن SiO₂ وAl₂O₃ وFe₂O₃ هي المهيمنة على الأكاسيد الرئيسية، مع وجود عناصر نادرة مثل Ba وZr وV وNi بكثرة أكبر في المجموعة الثانية. اختلف محتوى عناصر الأرض النادرة (REE) بشكل كبير بين المجموعتين، حيث أظهرت المجموعة الثانية تركيزات إجمالية أعلى بكثير من REE وأنماط متميزة في توزيع LREE وHREE. كشفت تحليلات العوامل والتجمع عن تباينات جيوكيميائية واضحة بين المجموعتين، حيث تميزت المجموعة الأولى بتركيزات REE أقل ومحتوى سيليكات أعلى، بينما ارتبطت المجموعة الثانية بالمعادن الغنية بـ REE وعمليات التمعدن الأولية. تؤكد هذه النتائج على التأثيرات المتباينة للعمليات الجيولوجية على الخصائص المعدنية والجيوكيميائية للتربة الحمراء المدروسة.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة من الورقة البحثية السياق الجيولوجي والخصائص الجيوكيميائية للتربة الحمراء في منطقة سيديشهر، التي تحتوي على رواسب بوكسيت كبيرة. تم تحديد تكوين شالتبي السفلي-الوسيط كمصدر جيولوجي رئيسي، بينما تم اقتراح تكوين سيديشهر العلوي-السفلي كصخرة مصدر محتملة للبوكسيت. تسلط الدراسة الضوء على تأثير عوامل مختلفة، بما في ذلك المناخ، والتضاريس، والتركيب الصخري، على تشكيل التربة الحمراء، التي تظهر نطاق pH ثابت من المحايد إلى القلوي قليلاً. تم تقديم نظريتين حول أصل التيرا روسا: واحدة تفترض أنها بقايا من ذوبان الحجر الجيري، بينما تشير الأخرى إلى أنها تتشكل من التفاعلات بين الحجر الجيري والمواد الحبيبية. تشير النتائج إلى أن التربة الحمراء متعددة الجينات، مع توقيعات جيوكيميائية متميزة تعكس المساهمات من كل من المصادر الكربونية والأوفيوليتية.
يكشف التحليل عن مجموعتين من التربة الحمراء مع تركيزات متغيرة من عناصر الأرض النادرة (REE) – 206 إلى 433 جزء في المليون في المجموعة الأولى و853 إلى 4487 جزء في المليون في المجموعة الثانية. تظهر المجموعة الأولى ارتباطًا وراثيًا بالصخور الكربونية المحلية، بينما تشير ملف REE للمجموعة الثانية إلى أصل مختلف، من المحتمل أن يكون من الصخور الأوفيوليتية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الإمكانات الاقتصادية لهذه التربة الغنية بـ REE، داعية إلى تقييمات مفصلة لتوزيعها المكاني وتركيزها لتقييم جدواها كمصدر لاستعادة REE. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على التفاعل المعقد للعمليات الجيولوجية في تشكيل المشهد الجيوكيميائي للمنطقة وإمكانية الاستغلال الاقتصادي لتربتها الحمراء.
DOI: https://doi.org/10.55730/1300-0985.2002
Publication Date: 2026-01-22
Author(s): Muazzez Çelık Karakaya et al.
Primary Topic: Geochemistry and Elemental Analysis
Overview
The section discusses the critical importance of rare earth elements (REEs) in sustaining economic growth and technological advancement, particularly in Europe, where supply disruptions pose significant risks. REEs, consisting of 15 elements with low natural concentrations, are essential for various applications, including defense. The increasing demand for these elements, coupled with a lack of substitutes, has heightened global interest in their availability and responsible use.
The study further examines the characteristics of red soil deposits in Türkiye, specifically those associated with karstic bauxite reserves. Two distinct groups of red soils were analyzed: one from karstic limestone cavities and fractures, and the other near ophiolitic rocks. While both groups share similar mineralogical and major element profiles, they exhibit significant variability in trace element concentrations, particularly REEs. The first group’s REE concentrations range from 206 to 433 ppm, while the second group’s range from 853 to 4487 ppm. The differing REE patterns suggest distinct formation processes and origins for the two soil types. Given the high REE content in the second group, the authors recommend further investigations to assess the economic viability of these soils for REE recovery, emphasizing the need for detailed studies on their spatial distribution and concentration.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of critical raw materials (CRMs), particularly rare earth elements (REEs), in advanced technologies and their economic implications. CRMs are essential for technological performance and are subject to supply risks, necessitating exploration and extraction efforts. The paper highlights the growing recognition of REEs as CRMs, prompting increased research into their reserves and recovery methods, particularly in various geological contexts. However, there is a notable lack of studies focusing on the REE potential of red soils, specifically terra rossa, which are formed under subtropical climates from limestone weathering.
The study aims to address this gap by examining the REE content of red soils in the Seydişehir-Akseki region of Türkiye, where significant karst-type bauxite deposits are located. These soils, characterized by their composition of clay, silt, and sand, exhibit variable REE concentrations influenced by factors such as erosion and parent rock composition. The research will evaluate the mineralogical and geochemical properties of these red soils, providing insights into their genesis and the relationship between parent lithology and REE distribution. This investigation is particularly relevant given the increasing demand for REEs in high-tech applications and the need for sustainable resource management.
Methods
In this study, approximately 500 g of red soil was collected from fourteen locations at a depth of 20-30 cm for mineralogical and geochemical analyses. The samples were sieved to isolate fine sand and silt fractions, then pulverized using an agate ring mill. Mineralogical compositions were analyzed via X-ray diffraction (XRD) using a Rigaku D/MAX 2200 PC diffractometer, employing CuKα radiation. Clay minerals were identified through oriented aggregates subjected to thermal treatments and ethylene glycol. Differential thermal analysis-thermogravimetry (DTA-TG) assessed the thermal behavior of the samples, while morphological characteristics were examined using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM).
Chemical analyses were performed at various laboratories, including X-ray fluorescence (XRF) for major oxides and trace elements, and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) for trace and rare earth elements (REEs). Detection limits for major oxides ranged from 0.001% to 99.99%, while trace elements had limits from 1-10,000 ppm. A two-stage acid digestion method was employed for ICP-MS analysis, with certified reference materials used to ensure accuracy. Anomalies for europium and cerium were calculated based on REE concentrations normalized to Post-Archaean Australian Shale (PAAS) values.
Results
In this study, red soils associated with bauxite deposits were classified into two groups based on their geological contexts: those near limestone units and those near ophiolitic mélange. Both groups exhibited similar grain size distributions, predominantly consisting of 89% sand and 11% silt and clay, with a bimodal grain size distribution ranging from 0.594 to 240 μm. The pH levels were neutral, averaging around 7.96, and mineral composition analysis revealed boehmite as the primary alumina mineral, alongside limited quantities of hematite and goethite. Notably, the second group demonstrated significantly higher Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas and adsorption capacities, indicating enhanced reactivity compared to the first group.
Thermal analysis indicated a total weight loss of approximately 13% when heated to 900 °C, primarily due to the loss of structural water and phase transformations of minerals. Chemical composition analysis showed that SiO₂, Al₂O₃, and Fe₂O₃ dominated the major oxides, with trace elements such as Ba, Zr, V, and Ni being more abundant in the second group. The rare earth element (REE) content varied significantly between the groups, with the second group exhibiting much higher total REE concentrations and distinct patterns in LREE and HREE distributions. Factor and cluster analyses revealed clear geochemical distinctions between the two groups, with the first group characterized by lower REE concentrations and higher silicate content, while the second group was associated with REE-rich minerals and primary mineralization processes. These findings underscore the contrasting influences of geological processes on the mineralogical and geochemical characteristics of the studied red soils.
Discussion
The discussion section of the research paper examines the geological context and geochemical characteristics of red soils in the Seydişehir region, which hosts significant bauxite deposits. The Lower-Middle Cambrian Çaltepe Formation and the Upper Cambrian-Lower Ordovician Seydişehir Formation are identified as key geological units, with the latter proposed as a potential source rock for bauxite. The study highlights the influence of various factors, including climate, topography, and lithology, on the formation of red soils, which exhibit a consistent pH range from neutral to slightly alkaline. Two theories regarding the origin of terra rossa are presented: one posits it as a residue from limestone dissolution, while the other suggests it forms from interactions between limestones and clastic materials. The findings indicate that the red soils are polygenetic, with distinct geochemical signatures reflecting contributions from both carbonate and ophiolitic sources.
The analysis reveals two groups of red soils with varying rare earth element (REE) concentrations—206 to 433 ppm in the first group and 853 to 4487 ppm in the second. The first group shows a genetic link to local carbonate rocks, while the second group’s REE profile suggests a different origin, likely from ophiolitic rocks. The study emphasizes the need for further investigation into the economic potential of these high-REE soils, advocating for detailed assessments of their spatial distribution and concentration to evaluate their viability as a resource for REE recovery. Overall, the research underscores the complex interplay of geological processes in shaping the geochemical landscape of the region and the potential for economic exploitation of its red soils.