埃及地中海沿岸罗塞塔黑沙的特征研究：多种光谱分析技术的综合应用

《Journal of African Earth Sciences》：Characterization of the Rosetta black sands, Mediterranean coast, Egypt: Integration of different spectroscopic analytical techniques

本研究采用FTIR、拉曼及UV-Vis-NIR光谱技术，系统分析埃及罗塞塔黑沙中钛铁矿、磁铁矿、金红石、锆石等重矿物的化学组成、结构特征及放射性元素（U、Th）分布，揭示其地质来源及成因。

　　

赫沙姆·莫克塔尔（Hesham Mokhtar）|阿德尔·A·苏鲁尔（Adel A. Surour）

开罗大学理学院地质系，吉萨12613，埃及

摘要

本文采用了一套综合的分析技术，以全面了解从埃及地中海沿岸的罗塞塔黑沙中提取出的重矿物成分的特性和来源。这些重矿物包括非硅酸盐（Fe-Ti氧化物：磁铁矿、钛铁矿、金红石、白铁矿）和硅酸盐（锆石、石榴石），以及辉石、角闪石和绿帘石）。通过EDX和UV-VIS-NIR分析发现，源自长英质岩源的锆石有时会发生变质作用，并含有放射性核素（U、Th）、Hf和稀土元素（REEs），尤其是Nd³⁺。锆石的拉曼光谱显示了四种特征振动模式（v₁、v₂、v₃、v₄），这证实了其Hf含量及可能的变质现象。所有石榴石都含有铁元素（铝榴石、铝榴石-铁榴石、铝榴石-钙榴石），它们来源于云母片岩、钙硅酸盐以及中等到长英质的火成岩。锆石中Fe-OH的FTIR伸缩振动和Fe-O的弯曲振动表明了其八面体结构。纯铝榴石在925 cm^-1处显示出特征性拉曼位移。石榴石的UV-Vis-NIR光谱显示了Fe、V和Cr等过渡金属的存在，以及由于八面体Fe²⁺向十二面体Fe³⁺的电荷转移而产生的吸收带。磁铁矿分为三种类型：贫钛的均匀磁铁矿、富钛的均匀磁铁矿以及与钛铁矿共生的富钛磁铁矿，它们均来源于基性至中性的火成岩。磁铁矿的FTIR光谱显示了两种键合类型：四面体（Fe^iv-O）和八面体（Fe^vi-O）。作为反结构尖晶石矿物的磁铁矿具有简单的拉曼光谱，呈均匀立方对称性。金红石和钛铁矿是最常见的重矿物（占比28%）。钛铁矿的化学成分（1.36 wt% MnO、0.52 wt% V₂O₅）表明其来源可能是基性岩。这两种矿物中的铁以Fe²⁺形式存在，这一点通过UV-Vis-NIR光谱得到证实。某些富钛矿物（主要是钛铁矿）会分解形成白铁矿，白铁矿是Ti和亚铁Fe的混合物（含量分别为49-51.1 wt%和24.3-26.6 wt%）。此外，不同重矿物的FTIR光谱显示了OH^-和结构水（H₂O）的存在（吸收峰位于3370至3473 cm^-1、1545至1650 cm^-1），以及2810 cm^-1和2923 cm^-1处的C-H键吸收峰，这些可能源于有机污染或富含CH₄的流体包裹体。

引言

“黑沙”一词通常用于描述在河谷和海滩中发现的沉积物，其颜色从灰色到深棕色再到黑色不等，这主要是由于其中含有不透明矿物如钛铁矿、磁铁矿和铬铁矿（Fouda等人，2010年；Fares，2017年）。黑沙由细小颗粒组成，密度大、有光泽且具有一定的磁性，通常与冲积矿床相关。它们是在海滩侵蚀过程中通过选择性搬运形成的。全球范围内的黑沙沉积物富含重矿物，如钛铁矿、磁铁矿、赤铁矿、金红石、锆石、石榴石、锡石和独居石（Fares，2017年）。现代黑沙可能是重要的工业矿物（如Fe-Ti氧化物和石榴石）的来源，同时也含有战略性的稀土元素和放射性矿物（例如锆石、独居石、磷灰石、铀钍矿、铀钍矿（Garzanti和Andò，2007年）。此外，某些黑沙沉积物还可能含有珍贵的冲积矿物，如天然金、金银矿和铂族矿物（El Gemmizi，1985年；Abdel-Karim和El-Shafey，2012年；Ibrahim等人，2019年；Hamed等人，2024年）。侵蚀产物通过波浪和洋流的动态作用被集中在海岸线附近，从而形成了各种沿海沉积环境中的密集沉积层（Hamed等人，2024年）。这些沉积物富含对核工业以及各种冶金和工程行业至关重要的战略性和经济价值重的矿物（Awad等人，2022年）。

埃及的黑沙因其富含锆石、独居石、磷灰石等战略矿物以及多种Fe-Ti氧化物（主要是磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿和金红石）而成为重要的经济矿物资源（El-Hinnawi等人，1989年；Dawood和Abd El-Naby，2007年；El-Kammar等人，2011年；Awad等人，2022年）。埃及的黑沙主要分布在地中海沿岸，从北西奈的El-Arish延伸到尼罗河三角洲西部乃至亚历山大港以西。最近的研究关注了地中海黑沙的环境危害，特别是辐射问题，因为该地区的氡气浓度超过了世界卫生组织（WHO）规定的100 Bq/m³的安全限值（Alshahrani等人，2025年）。Hamed等人（2024年）指出，红海地区具有独特的地质特征，某些地方存在黑沙海滩。他们利用光谱学和半定量化学分析方法证明了某些海岸富含潜在的战略矿物。由于红海Ras Gharib至Mersa Alam一带的黑沙中含有放射性矿物，Harb（2008年）强调了在建设旅游度假村时评估其放射性和相关风险的必要性。红海海滩的黑沙分布范围可延伸至Mersa Alam南部直至Ras Banas（Ibrahim等人，2019年）。在海岸环境中，特别是在高能量条件下，会形成耐久且价值高的重矿物沉积。这些矿物的岩石学特征受到其源岩组成的显著影响（El Mogy和Lawandy，2023年；Hamed等人，2024年）。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱是一种广泛使用的技术，能够提供材料化学成分的详细信息（Henderson等人，2014年）。在FTIR分析过程中，红外光穿过样品，记录下在特定能量水平下被吸收的辐射量。吸收光谱中的每个峰对应于特定官能团的频率（Surour和El-Tohamy，2024年；Shukla，2025年）。FTIR光谱通过分析不同分子团的吸收带来识别有机、无机和聚合物物质（Tkachenko和Niedzielski，2022年），从而确定化学成分的存在。拉曼光谱利用偏振显微镜有效且便捷地研究重矿物。该技术通过研究单色光与物质的非弹性散射来分析物质（Sundararajan等人，2021年）。它已成为当代光谱学、地球化学、生物物理学和分析化学中的重要工具（Hope等人，2001年；Nasdala等人，2004年）。除了矿物鉴定外，拉曼光谱还能提供关于同质体系列、水合矿物、风化产物、不透明和半透明Fe–Ti氧化物矿物的区分、单个颗粒内的流体包裹体以及锆石变质程度的信息（Stefaniak等人，2006年；Aliatis等人，2009年）。紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱可用于检测铁氧化物（如磁铁矿和赤铁矿），因为这些矿物在紫外到近红外波长范围内具有明显的吸收带（Aceto等人，2022年；Surour和El-Tohamy，2024年）。

本研究探讨了埃及尼罗河三角洲西部海岬附近大量黑沙中的几种具有重要经济价值的重矿物。同时，还对这一地区的黑沙进行了全面研究，内容包括：（1）使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）技术对从黑沙中提取的重矿物进行矿物学和化学分析；（2）利用振动光谱技术（FTIR、拉曼、UV-Vis-NIR）对这些提取的重矿物进行官能团和分子结构表征。此外，本研究还试图阐明构成黑沙的重矿物的来源。最后，简要概述了罗塞塔黑沙矿床及其作为多种战略矿物储备的经济潜力，这些矿物是现代技术产业所需的。

尼罗河三角洲和地中海海滩的地理位置与地质特征

尼罗河三角洲是一片平坦的耕地，向北逐渐倾斜，因此地下岩性只能通过钻孔和地震数据来识别。根据Becker和Sultan（2009年）的研究，尼罗河三角洲的沉积作用主要发生在更新世时期，随后形成了三角洲扇形系统。Frihy等人（2003年）估计，这一过程始于海平面下降后约8000年前，以每年约10米的速度向海洋方向扩展。

埃及的黑沙沉积：地质背景

埃及的黑沙沉积物主要是海滩冲积矿床，由海滩侵蚀过程中的选择性搬运形成（Hegazy和Emam，2010年；Abdel-Karim等人，2016年）。更新世时期降雨量增加可能导致洪水，进而侵蚀源岩，释放出重矿物（如独居石）（Dawood和Abd El-Naby，2007年；Abdel-Karim和El-Shafey，2012年）。尼罗河及其七条支流共同作用……

材料与方法

在罗塞塔地区，这些黑沙呈透镜状分布（宽2.4-12米，厚0.9-2.3米），透镜之间的距离变化较大，最远可达约3米。本研究使用的样本是一个宽10.5米、厚2.1米的透镜状黑沙，包括原始黑沙和在罗塞塔工厂经过重矿物分离后的产物，整个过程在矿业部门的监督下进行。

原始黑沙的XRD分析

本研究重点分析了具有重大经济价值的重矿物（如锆石和磁铁矿），以及经济价值较低的矿物（如石英、辉石、角闪石和绿帘石）。XRD分析表明，原始黑沙样品主要由锆石、磁铁矿、钛铁矿、金红石、石榴石组成，此外还含有辉石、角闪石、绿帘石和电气石（补充文件S1）。此外，光谱分析……

重矿物成分的微观分析

所研究的重矿物通过反射显微镜和偏振显微镜以及扫描电子显微镜（SEM）-能量色散X射线光谱（EDS）进行了成分和结构表征。

锆石作为一种冲积矿物，因其耐风化性和较高的比重而广为人知。在分离出的锆石颗粒中，锆石颗粒多为棱柱形，两端呈双锥形，颜色变化……

结论

• a)
  尼罗河从其源头（非洲中部和东部国家）携带重矿物，最终在罗塞塔及埃及北部地中海沿岸的多个地点形成黑沙。不能排除前寒武纪或新元古代岩石对埃及和苏丹红海基底岩的影响作为这些黑沙的另一个来源。
• b)
  罗塞塔地区存在大量的黑沙透镜状沉积物

CRediT作者贡献声明

赫沙姆·莫克塔尔（Hesham Mokhtar）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、资源管理、项目规划、方法设计、研究实施、资金筹集、数据分析、数据整理、概念构思。阿德尔·A·苏鲁尔（Adel A. Surour）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、资源管理、方法设计、研究实施、概念构思

未引用的参考文献

Andò和Garzanti，2014年；Chandrasekaran等人，2021年；Garzanti和Andó，2007年；Harb，2008年；Nassar等人，2022年。

利益冲突声明

我们声明，本文的作者未将论文提交给其他任何期刊审稿，也不会在该期刊做出决定之前提交给其他地方。所有合著者均已批准手稿内容，不存在利益冲突。

致谢

作者感谢埃及核材料管理局（NMA）的Hesham El Nahas教授、Amira El-Tohamy教授和Ahmed Mosad博士在实地和实验室方面提供的帮助。同时，感谢开罗大学的Hala Korany女士在使用便携式XRF分析仪过程中的耐心和支持。还要感谢主编Zakaria Hamimi教授和副主编Amr Abdelnasser博士对手稿的编辑工作。非常感谢他们的建设性意见……