DOI: https://doi.org/10.1007/s10967-026-11106-5
تاريخ النشر: 2026-08-24
المؤلف: Alexandros Santos وآخرون
الموضوع الرئيسي: الاشعاع وقياسات الرادون
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تقييمًا شاملاً لعناصر الأرض النادرة (REEs) والأكتينيدات (الثوريوم واليورانيوم) والنويدات المشعة في الرواسب الساحلية القريبة من مصب نهر كيفيسوس إلى خليج سارونيك في أثينا، اليونان، ومنطقة الميناء في الفجيرة، الإمارات العربية المتحدة. باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وقياس الطيف الكتلي بالتحليل الطيفي المتصل (ICP-MS) والميكروسكوبية الإلكترونية وقياس الطيف بالأشعة السينية، تكشف الأبحاث أن تركيزات REE أعلى بشكل ملحوظ في أثينا بسبب التأثيرات الجيولوجية والبشرية. على وجه التحديد، يرتبط الثوريوم بالمعادن الزركونية في أثينا، بينما تظل مستويات اليورانيوم منخفضة عبر كلا المنطقتين. كانت نشاطات البوتاسيوم-40 ($^{40}K$) متغيرة، وكان نشاط السيزيوم-137 ($^{137}Cs$) أعلى في أثينا، مما يُعزى إلى الترسيب الجوي التاريخي الناتج عن كارثة تشيرنوبيل.
تشير النتائج إلى أن سلوك REEs والأكتينيدات في هذه الرواسب الساحلية يتأثر بشكل أساسي بالمصدر الليثوجيني، مع تعديلات ثانوية من العمليات البيئية الساحلية والبشرية. في أثينا، تعكس توزيع REE المساهمات من التجوية القارية ومدخلات الجسيمات الحضرية، الغنية بشكل خاص بالتيتانيوم والسيريوم. على العكس، تظهر الرواسب من الفجيرة شذوذات إيجابية للسيريوم، مرتبطة بالمدخلات المتآكلة من معقد الأفيوليت العماني-الإماراتي. تُظهر كلا الموقعين شذوذات سلبية للسيريوم، مما يشير إلى الترسيب تحت ظروف أكسجينية. تركيزات الثوريوم أعلى في أثينا (1.1-6.7 جزء في المليون) مقارنة بالفجيرة (0.7-1.2 جزء في المليون)، مما يدل على تأثير أقوى من القشرة القارية، بينما تظل تركيزات اليورانيوم متسقة عبر كلا الموقعين (1.2-2.3 جزء في المليون). تؤكد الدراسة على فائدة نهج متعدد المؤشرات المتكامل لتوضيح مصدر الرواسب والسلوك البيئي للعناصر المشعة والعناصر النزرة في الأنظمة الساحلية المجاورة للمدن.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية التي تواجه المناطق الساحلية المجاورة للمناطق الحضرية، خاصة بسبب حركة المرور البحرية والأنشطة البشرية. تؤثر هذه الضغوط على رواسب قاع البحر، التي تتكون من مزيج من المواد غير العضوية والمركبات العضوية. تؤكد الدراسة على الاهتمام المتزايد بـ “معادن الأنثروبوسين” والنويدات المشعة، وخاصة عناصر الأرض النادرة (REE) والأكتينيدات، في الرواسب الساحلية الحضرية. وثقت الأبحاث السابقة وجود هذه العناصر في مواقع مختلفة، بما في ذلك نهر كيفيسوس في أثينا وميناء الفجيرة في الإمارات العربية المتحدة، ولكن لا تزال هناك فجوات في التحليل الشامل لعناصر REE والنويدات المشعة في هذه البيئات.
تهدف الأبحاث الحالية إلى سد هذه الفجوات من خلال دراسة REE والنويدات المشعة في الرواسب الساحلية القريبة المتأثرة بمصب نهر كيفيسوس وميناء الفجيرة. تستخدم تقنيات تحليلية متقدمة مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وقياس الطيف الكتلي بالتحليل الطيفي المتصل (ICP-MS) لتقييم تركيزات هذه العناصر. تؤكد الدراسة على أهمية فهم السلوك الجيوكيميائي لعناصر REE والأكتينيدات، حيث أن حركتها وارتباطها بالنشاط الإشعاعي الطبيعي لها آثار كبيرة على المراقبة البيئية والسلامة الإشعاعية في الأنظمة البحرية الساحلية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم جمع عينات الرواسب من المناطق الساحلية المجاورة للمدن، وتحديداً منطقة مصب نهر كيفيسوس في أثينا، اليونان، ومنطقة الميناء في الفجيرة، الإمارات العربية المتحدة. تم تصنيف عينات كيفيسوس على أنها “KIF”، بينما تم تصنيف عينات الفجيرة على أنها “FJR”. تم إجراء أخذ العينات الميدانية باستخدام قارب قابل للنفخ ومقبض فان فين، تلاه بروتوكول معالجة موحد لضمان الاتساق. تم غربلة الرواسب البحرية رطبًا لعزل الجسيمات الأصغر من 2 مم، وإزالة الحطام الأكبر، ثم تم تصفيتها من خلال مرشحات غشائية بقطر 0.45 ميكرومتر. تم تجفيف العينات في الهواء أو في فرن عند درجات حرارة مضبوطة للحفاظ على سلامتها المعدنية والكيميائية.
لتحليل التركيب الكلي، تم طحن عينات فرعية باستخدام مدقة عقيق لتجنب التلوث. تم استخدام فصل الكثافة مع سوائل ثقيلة من نابوليتونغستات لعزل أجزاء معدنية محددة لمزيد من التحقيقات الميكروسكوبية والتحليلية. تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) لجميع العينات، وتم إجراء قياسات طيفية للأشعة السينية باستخدام كاشف جرمانيوم عالي النقاء (HPGe). تم تحليل كل عينة لمدة 24 ساعة لضمان إحصائيات عد كافية، وتم إجراء التحليل الطيفي باستخدام برنامج SPECTRW. تم تحديد تركيزات النشاط للنويدات المشعة عن طريق تصحيح تأثيرات جمع التوافق الحقيقي (TCS) وتأثيرات امتصاص العينات الذاتية، باستخدام برامج EFFTRAN 4.5 وLabSOCS لتحسين دقة القياس. تم حساب تركيز النشاط \( A \) (Bq/kg) لكل نويد مشع بناءً على معدل العد والكفاءة والكتلة وشدة الأشعة السينية.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة عن تركيبات معدنية مميزة في الرواسب من مصب نهر كيفيسوس وميناء الفجيرة، والتي تتميز بتحليل حيود الأشعة السينية (XRD). تتكون رواسب كيفيسوس بشكل أساسي من الكوارتز والكالسيت ومعادن الطين النموذجية للبيئات البحرية الساحلية، بينما تظهر رواسب الفجيرة مساهمات إضافية من الفيلوسليكات المشتقة من الأفيوليت، بما في ذلك السيربنتين والتلك، مما يعكس التأثير الجيولوجي لمجمع الأفيوليت العماني-الإماراتي. من الجدير بالذكر أن كلا المنطقتين تفتقران إلى تركيزات قابلة للكشف من عناصر الأرض النادرة (REEs) والأكتينيدات في أشكال بلورية، مما يشير إلى أن هذه العناصر مدمجة بدلاً من ذلك داخل المعادن المتآكلة أو ممتصة على أسطح المعادن. أظهرت عينات كيفيسوس تركيزات إجمالية أعلى من REE (ΣREE تتراوح من 24.51 إلى 107.42 جزء في المليون) مقارنة بالفجيرة (ΣREE: 20.08-22.89 جزء في المليون)، مما يُعزى إلى اختلاف الخلفيات الجيولوجية ومصادر الرواسب.
تشير التحليلات الجيوكيميائية إلى أن تركيزات الثوريوم (Th) كانت أعلى في كيفيسوس (1.1 إلى 6.7 جزء في المليون) مقارنة بالفجيرة (0.7 إلى 1.2 جزء في المليون)، بينما ظلت تركيزات اليورانيوم (U) متسقة نسبيًا عبر كلا الموقعين (1.2 إلى 2.3 جزء في المليون). تشير أنماط REE، وخاصة توزيعات السيريوم (Ce) المسطحة، إلى تباين محدود مدفوع بالأكسدة أثناء تشكيل الرواسب، مع بقاء Ce بشكل أساسي في حالته الثلاثية. توضح شذوذات اليوروبوم (Eu) بشكل أكبر مصدر الرواسب، حيث أظهرت كيفيسوس قيمًا قريبة من توقيع القشرة القارية العليا، بينما عرضت رواسب الفجيرة شذوذات إيجابية لـ Eu تشير إلى السيطرة الليثوجينية من مصادر ما فيك-ألترا ما فيك. كشفت التحقيقات الميكروسكوبية أن رواسب كيفيسوس تحتوي على جزيئات ميكرو-ونانو بشرية، مما يشير إلى مدخلات حضرية محلية، بينما افتقرت رواسب الفجيرة إلى مثل هذه الجزيئات، مما يعزز الأصل الليثوجيني الطبيعي لتوزيعات REE الخاصة بها. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على التفاعل المعقد بين المصدر الجيولوجي والتأثيرات البشرية وعمليات الأكسدة البحرية في تشكيل الكيمياء الرواسبية لهذه البيئات الساحلية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المتعلقة بسلوك عناصر الأرض النادرة (REE) والأكتينيدات (Th و U) في الرواسب الساحلية القريبة من بيئتين ساحليتين متميزتين: منطقة مصب نهر كيفيسوس في أثينا، اليونان، ومنطقة الميناء في الفجيرة، الإمارات العربية المتحدة. تستخدم الدراسة نهجًا متعدد المؤشرات، يجمع بين التحليلات المعدنية (XRD) والجيوكيميائية (ICP-MS) والميكروسكوبية (FEG-(FIB)-SEM-EDS، (S)TEM-EDS/HAADF) لتوضيح مصدر وتوزيع هذه العناصر. في منطقة كيفيسوس، تتأثر توزيعات REE بمزيج من التجوية القارية ومساهمات الجسيمات الحضرية، خاصة من الجسيمات الدقيقة الغنية بالتيتانيوم والسيريوم، مما يشير إلى تأثيرات بشرية كبيرة. تشير الشذوذات القريبة من الوحدة لليوروبوم (Eu) (0.96-1.10) إلى مصدر قاري فليسي، بينما ترتبط الشذوذات الإيجابية الواضحة لـ Eu (1.11-1.48) في رواسب الفجيرة بمدخلات من مصادر ما فيك-ألترا ما فيك.
تكشف التحليلات أن كلا منطقتي الدراسة تظهران شذوذات سلبية للسيريوم (Ce) (Ce/Ce* < 1)، مما يشير إلى ظروف ترسيب أكسجينية. من الجدير بالذكر أن غياب الجزيئات الدقيقة أو النانوية الحاملة لـ REE والأكتينيدات في رواسب الفجيرة يشير إلى أن توزيعاتها تحدد بشكل أساسي من خلال المصدر المعدني بدلاً من الثراء البشري. كانت تركيزات الثوريوم أعلى في الرواسب اليونانية (1.1-6.7 جزء في المليون) مقارنة بعينات الإمارات (0.7-1.2 جزء في المليون)، مما يعكس تأثيرًا قاريًا أقوى، بينما ظلت تركيزات اليورانيوم متسقة نسبيًا عبر كلا المنطقتين (1.2-2.3 جزء في المليون). حدد التحليل الطيفي للأشعة السينية وجود 137Cs في رواسب أثينا، مما يُعزى إلى السقوط التاريخي الناتج عن كارثة تشيرنوبيل، بينما لوحظت أنشطة نويدات مشعة أقل في الفجيرة. بشكل عام، توفر الدراسة إطارًا شاملاً لفهم العمليات الرواسبية والسلوك البيئي للعناصر المشعة والعناصر النزرة في الأنظمة الساحلية المجاورة للمدن.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10967-026-11106-5
Publication Date: 2026-08-24
Author(s): Alexandros Santos et al.
Primary Topic: Radioactivity and Radon Measurements
Overview
This study provides a comprehensive assessment of rare earth elements (REEs), actinides (thorium and uranium), and radionuclides in nearshore sediments from the Kifissos River discharge into the Saronic Gulf in Athens, Greece, and the harbor area of Fujairah, UAE. Utilizing techniques such as X-ray diffraction (XRD), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), electron microscopy, and γ-ray spectrometry, the research reveals that REE concentrations are notably higher in Athens due to geological and anthropogenic influences. Specifically, thorium is associated with zircon minerals in Athens, while uranium levels remain low across both regions. The activity of potassium-40 ($^{40}K$) varied, and cesium-137 ($^{137}Cs$) activity was higher in Athens, attributed to historical atmospheric deposition from the Chernobyl disaster.
The findings indicate that the behavior of REEs and actinides in these coastal sediments is primarily influenced by lithogenic provenance, with secondary modifications from coastal environmental and anthropogenic processes. In Athens, the REE distribution reflects contributions from continental weathering and urban particulate inputs, particularly enriched in titanium and cerium. Conversely, sediments from Fujairah exhibit positive europium anomalies, linked to detrital inputs from the Oman-UAE Ophiolite complex. Both locations show negative cerium anomalies, suggesting deposition under oxic conditions. Thorium concentrations are higher in Athens (1.1-6.7 ppm) compared to Fujairah (0.7-1.2 ppm), indicating a stronger influence from continental crust, while uranium concentrations are consistent across both sites (1.2-2.3 ppm). The study underscores the utility of an integrated multi-proxy approach to elucidate sediment provenance and the environmental behavior of radioactive and trace elements in urban-adjacent coastal systems.
Introduction
The introduction highlights the environmental challenges faced by coastal zones adjacent to urban areas, particularly due to marine traffic and anthropogenic activities. These pressures affect seafloor sediments, which are composed of a mix of inorganic materials and organic compounds. The study emphasizes the growing interest in “Anthropocene minerals” and radionuclides, particularly rare earth elements (REE) and actinides, in urban coastal sediments. Previous research has documented the presence of these elements in various locations, including the Kifissos River in Athens and Fujairah Harbor in the UAE, but gaps remain in the comprehensive analysis of REE and radionuclides in these environments.
The current research aims to fill these gaps by investigating REE and radionuclides in nearshore sediments influenced by the Kifissos River and Fujairah Harbor. It employs advanced analytical techniques such as X-ray diffraction (XRD) and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) to assess the concentrations of these elements. The study underscores the importance of understanding the geochemical behavior of REE and actinides, as their mobility and association with natural radioactivity have significant implications for environmental monitoring and radiological safety in coastal marine systems.
Methods
In this study, sediment samples were collected from urban-adjacent coastal zones, specifically the Kifissos River discharge area in Athens, Greece, and the harbor vicinity in Fujairah, United Arab Emirates. The Kifissos samples are labeled “KIF,” while the Fujairah samples are labeled “FJR.” Field sampling was conducted using an inflatable boat and a Van Veen grab, followed by a standardized processing protocol to ensure consistency. The marine sediments were wet-sieved to isolate particles smaller than 2 mm, removing larger debris, and then filtered through 0.45 µm membrane filters. The samples were air-dried or oven-dried at controlled temperatures to preserve their mineralogical and chemical integrity.
For bulk compositional analysis, subsamples were pulverized using an agate mortar to avoid contamination. Density separation with Napolytungstate heavy liquids was employed to isolate specific mineral fractions for further microscopic and analytical investigations. Powder X-ray diffraction (XRD) patterns were obtained for all samples, and gamma-ray spectroscopy measurements were performed using a high-purity germanium (HPGe) detector. Each sample was analyzed for 24 hours to ensure adequate counting statistics, with spectral analysis conducted using SPECTRW software. Activity concentrations of radionuclides were determined by correcting for True Coincidence Summing (TCS) and sample self-absorption effects, utilizing EFFTRAN 4.5 and LabSOCS software to enhance measurement accuracy. The activity concentration \( A \) (Bq/kg) for each radionuclide was calculated based on the counting rate, efficiency, mass, and gamma-ray intensity.
Results
The results of the study reveal distinct mineralogical compositions in the sediments from the Kifissos River discharge and Fujairah harbor, characterized by X-ray diffraction (XRD) analysis. Kifissos sediments predominantly consist of quartz, calcite, and clay minerals typical of coastal marine environments, while Fujairah sediments show additional contributions from ophiolite-derived phyllosilicates, including serpentine and talc, reflecting the geological influence of the Oman-UAE ophiolitic complex. Notably, both regions lack detectable concentrations of rare earth elements (REEs) and actinides in crystalline forms, suggesting these elements are instead incorporated within detrital minerals or adsorbed onto mineral surfaces. The Kifissos samples exhibited higher total REE concentrations (ΣREE ranging from 24.51 to 107.42 ppm) compared to Fujairah (ΣREE: 20.08-22.89 ppm), attributed to differing geological backgrounds and sediment sources.
Geochemical analyses indicate that thorium (Th) concentrations were higher in Kifissos (1.1 to 6.7 ppm) than in Fujairah (0.7 to 1.2 ppm), while uranium (U) concentrations remained relatively uniform across both sites (1.2 to 2.3 ppm). The REE patterns, particularly the flat cerium (Ce) distributions, suggest limited redox-driven fractionation during sediment formation, with Ce remaining predominantly in its trivalent state. Europium (Eu) anomalies further elucidate sediment provenance, with Kifissos exhibiting values close to the Upper Continental Crust signature, while Fujairah sediments displayed positive Eu anomalies indicative of lithogenic control from mafic-ultramafic sources. Microscopic investigations revealed that Kifissos sediments contained anthropogenic micro-and nano-particles, suggesting localized urban inputs, whereas Fujairah sediments lacked such particles, reinforcing the natural lithogenic origin of their REE distributions. Overall, the study highlights the complex interplay of geological provenance, anthropogenic influences, and marine redox processes in shaping the sedimentary geochemistry of these coastal environments.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the findings regarding the behavior of rare earth elements (REE) and actinides (Th and U) in nearshore sediments from two distinct coastal environments: the Kifissos River discharge zone in Athens, Greece, and the port area of Fujairah, UAE. The study employs a multi-proxy approach, integrating mineralogical (XRD), geochemical (ICP-MS), and microscopic analyses (FEG-(FIB)-SEM-EDS, (S)TEM-EDS/HAADF) to elucidate the provenance and distribution of these elements. In the Kifissos zone, REE distributions are influenced by a combination of continental weathering and urban particulate contributions, particularly from Ti-Ce-enriched microparticles, indicating significant anthropogenic impacts. The near-unity europium (Eu) anomaly (0.96-1.10) suggests a felsic crustal source, while pronounced positive Eu anomalies (1.11-1.48) in Fujairah sediments are linked to inputs from mafic-ultramafic sources.
The analysis reveals that both study areas exhibit negative cerium (Ce) anomalies (Ce/Ce* < 1), indicative of oxic deposition conditions. Notably, the absence of REE and actinide-bearing micro- or nanoparticles in Fujairah sediments suggests that their distributions are primarily determined by mineralogical provenance rather than anthropogenic enrichment. Thorium concentrations were higher in Greek sediments (1.1-6.7 ppm) compared to UAE samples (0.7-1.2 ppm), reflecting a stronger continental influence, while uranium concentrations remained relatively uniform across both regions (1.2-2.3 ppm). Gamma spectrometric analysis identified 137Cs in Athens sediments, attributed to historical fallout from the Chernobyl disaster, whereas lower radionuclide activities were observed in Fujairah. Overall, the study provides a comprehensive framework for understanding the sedimentary processes and environmental behavior of radioactive and trace elements in urban-adjacent coastal systems.