دراسة التركيب الذري لرمل كثبان منطقة ورقلة باستخدام مطيافيات

 XRF و MEBو EDX وAAN

  محمد العيد مشري و إسماعيل شيحي

 مخبر فيزياء الإشعاع و البلازما و فيزياء السطوح (LRPPS)، كلية  العلوم و التكنولوجيا و علوم المادة،

 جامعة قاصدي مرباح ورقلة, ورقلة 30000 (الجزائر)

 Etude de la composition atomique du sable des dunes de la région de Ouargla par spectroscopies XRF, MEB, EDX et ANN

 Mohammed Laid MECHRI* et Smail CHIHI

 Laboratoire de Rayonnement et Plasmas et Physique des Surfaces (LRPPS),

 Faculté des Sciences et de la Technologie et Sciences de la Matière,

 Université Kasdi Merbah Ouargla, Ouargla 30000, Algérie

 

  مختصر: في هذا العمل عرفنا أغلب العناصر المكونة لرمل كثبان منطقة ورقلة، ببعض تراكيزها، و ذلك باستخدام التقنيات الطيفية التالية: التحليل بفلورة الأشعة السينيةXRF ، و المجهر الإلكتروني الماسح MEB  و  EDX، و التحليل بواسطة التنشيط النتروني AAN  . لقد تمكنا من خلال هذا العمل من التعرف على كيفية استخدام هذه التقنيات مع الحصول على نتائج موثوقة، و من خلال ذلك استخلصنا أن العناصر الرئيسة للرمل هي الكالسيوم Ca والبوتاسيوم  K والمنغنيز  Mn والسيلسيوم  Si و الأكسجين O،كما أنه يحوي بعض العناصر مثل الصوديوم Na و الكبريت S   والرصاص Pb و الألمينيوم Al  ، و بعض العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم U  و الثوريوم Th  و غيرهما.

 كلمات دليلية: رمل كثبان، تحليل طيفي، تركيب ذري، XRF، MEB،EDX،AAN

 RÉSUMÉ: Dans ce travail, nous avons identifié les concentrations des composants du sable d’une dune de la région de Ouargla. Nous avons utilisé pour atteindre cet objectif, l’analyse par la fluorescence des rayons X (XRF), le microscope électronique à balayage (MEB) et (EDX) et l’analyse par activation neutronique (AAN). Nous avons réussi, par le biais de la maitrise de ces techniques, à avoir des résultats fiables. Nous avons également conclu que les éléments essentiels composants le sable sont le Calcium Ca, l’Oxygène O, le Silicium Si, Manganèse Mn, le Potassium K, l’Aluminium Al, le Plomb Pb, le Soufre S, le Sodium Na et d’autres éléments lourds comme le Thorium Th et l’Uranium U.

  MOTS-CLÉS : sable des dunes, analyse spectrale, composition atomique, XRF, MEB, EDX, AAN

  1. مقدمة:

 يعد الرمل من أكثر المواد الطبيعية تواجدا على اليابسة، فهو من أقدم مواد التشييد التي عرفها الإنسان، و هو أحد المواد التي جمعت علوم الهندسة و البيئة و الجيولوجيا والكيمياءو الفيزياء و غيرها و ذلك لأهميتها و تزايد استخداماتها و تنوعها.

 الرمال تختلف عن غيرها، كونها مادة ثابتة تملك خواص طبيعية متنوعة، و هي تحتاج إلى دراسات معملية و أخرى نظرية. من أجل ذلك أردنا من خلال هذا البحث المساهمة في تشخيص رمال كثبان منطقة ورقلة بمعرفة أبرز مكوناتها، خاصة الكوارتز،  و الذي له دور كبير في العديد من الصناعات الحديثة، و هو يمثل أكثر من70% من تركيب الرمال(1).

 يستخدم الكوارتز بشكل واسع في الصناعات الزجاجية، خاصة المخبرية؛ إذْ يتحمل درجات حرارة عالية تفوق 1600°C،  كما أن له فجوةطاقية كبيرة جدا تفوقeV  8، مما يعطيه خصائص عزل كهربائي جيد، كما أن له شفافية كبيرة جدا في المجال الطيفي الممتد من فوق البنفسجي إلى المرئي ثم إلى ما تحت الأحمر، مما يرشحه للاستعمال في القياسات الطيفية، و كذا في الاستخدامات الكهربائية، كما يمكن أن يستخلص منه السيلسيوم النقي للأبحاث الإلكترونية و النانومترية و تطبيقاتها في أشباه الموصلات، كما تصنع منه الخلايا الشمسية الكهروضوئية.

كل الأبحاث الوطنية التي صادفناها حول الرمل تعالجه من حيث استخداماته في مجالات البناء و الري و الفلاحة و التنقية(2)،   و لا تتطرق إلى دراسة الخصائص المجهرية و الجهرية له كخليط طبيعي مكون من عدة مركبات.

نسعى من خلال هذا العمل إلى معرفة التركيب العنصري الذري الدقيق الذي تتكون منه رمال كثبان منطقة ورقلة،  و ذلك باستخدام بعض التقنيات الطيفية، و هي بالضبط: تقنية التحليل بفلورة الأشعة السينيةXRF ، و تقنية التحليل و التصوير بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح  EDX و MEB، و تقنية التحليل بواسطة التنشيط النتروني AAN.

 2. الخصائص العامة لرمل الكثبان:

 الكثبان جمع كثيب، وهو عبارة عن تجمع من الرمل السائب على سطح الأرض في شكل كومةذات قمة. تنشأ الكثبان الرملية عن عوامل التعرية، وهي تفاعل الصخور الصحراوية مع درجاتالحرارة القصوى و هبوب الرياح المتواصلة(3)، مما يؤدى إلى تفكيك الصخور و تفتيتها إلىحبيبات مختلفة الحجم و الشكل.

تتكون القشرة الأرضية من حوالي 92 عنصرا تدخل في كثير من المركبات الكيميائية و المعادن، إلا أن عددا قليلا من هذه العناصر هو الذي يمثل الجزء الأكبر من القشرة الأرضية. أهم هذه العناصر مبينة بالجدول (1).

الرمال من حيث القوام نوعان: الرمال؛ و هي صخور مفككة غير مترابطة، تتألف من حبات فتاتية لا تجمع بينها مادة لاحمة، والأحجار الرملية؛ و هي صخور مترابطة، تتألف من حبات فتاتية تجمعها مادة لاحمة.

 تتصف الرمال بمجموعة من الخصائص الحَبّية، تختلف باختلاف طبيعة صخور المصدر، و عوامل التجوية الفيزيائية  أو الكيميائية،    و النقل الريحي أوالمائي، و الترسيب القاري أو البحري.

 بحسب التصانيف العالمية المعمول بها، تتفاوت أقطار حبـات الرمل بيـن mm0.063 و mm2، وتقسم الرمال و الأحجار الرملية تبعاً لأبعادها، إلى أربع مجموعات حَبّية،الجدول (2).

يتحدد البعد الحبيبي للرمل المفكك باستخدام مجموعة غرابيل يوضع بعضها فوق بعض، متدرجة الفتحات منmm 2و ما دون ذلك.

تتميز حبيبات الرمل الكوارتزية بسطوح ملساء أو خشنة تحمل علامات مختلفة من الخطوط و الخدوش والحفر و التضاريس، و قد تكون هذه السطوح كامدة ذات بريق معتم أو لامعة ذات بريق متألق، و تعكس الدراسة المفصلة للنسيج السطحي للحبات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح أصل هذه الحبات و تاريخها.

تتصف الرمال والأحجارالرملية بألوان مختلفة تبعا  للمواد  التي  تحتوي  عليها،و هي كمايلي:  في الحالات الغالبة تكون بألوان فاتحة بيضاء شفافة، و غير شفافة،و تكون بنيّة أو حمراء صدئية عندما تحتوي على الحديد، و نادراً ما تكون قاتمة نتيجة وجود فلز المغنيتيت  Fe2O3 أو المواد العضوية.

كيميائيا الرمل عبارة عن تجمعات تشمل خليطا من المعادن و الصخور المتكسرة، و التي حدثت لها  عمليات تجوية، بالإضافة إلى المواد العضوية.

تدرس كيمياء الرمل الخواصَّ الكيميائيةَ للمكونات المعدنية و العضوية، و مدى تأثر الرمال بهذه الخواص.

تنقسم المعادن في الرمل إلى نوعين: معادن أولية، و هي ناتجة من التحطم الفيزيائي لصخور الأصل؛ أي أنها موروثة عن الصخر الأصلي، يوجد العديد منها، و من أكثرها انتشارا في الرمال الكوارتز SiO2، و الفلسبار ALSi3O8؛ و معادن ثانوية، و هي ناتجة من التجوية الكيميائية للمعادن الأولية، و هي مهمة لكثير من التفاعلات الكيميائية السائدة في الرمال، و من أكثرها انتشارا السليكات و الكالسيت CaCO3 و الدلوميت CaMg(CO3 و الجبس CaSO42H2O  و أكاسيد الحديد  Fe2O3، FeO و الألمنيوم Al2O3.

أما المكونات العضوية فتشمل جميع الكائنات الحية التي تعيش في الرمل و بقاياها، و عندما تسقط المواد العضوية أو تضاف في الرمل تحصل لها العديد من التغيرات نتيجة لقيام الكائنات الحية الدقيقة بتحويلها إلى مواد بسيطة التركيب أو مواد أخرى معقدة.

على الرغم من قلة نسبة المادة العضوية، إلا أن لها دورا كبيرا و مُهِمًّا في خواص الرمل الفيزيائية و الكيميائية.

3. التقنيات التجريبية المستخدمة:

لقد استخدمنا خلال دراستنا هذه بعض التقنيات الطيفية، نفصلها فيما يلي:

 3. 1. فلورة الأشعة السينية  (XRF):

أشعةالفلورة هي إحدى ظواهر التألق، و تحصل في مواد معينة عند تعرضها للضوء أو للأشعة السينية أو للجسيمات المشعة الصادرة عن مصادر مختلفة. تمتص الذرات و الجزيئات طاقة الأشعة الواردة، فإذا كانت طاقة هذه الأشعة كافية فإن الذرات تثار إلى سويات طاقة عالية أو تتأين. بما أن الذرات و الجزيئات المثارة غير مستقرة فإنها تعود إلى حالتها الأساسية، محرِّرةً جزءًا من هذه الطاقة على هيئة إشعاع. بالاعتماد على هذا الإشعاع المميز المنبعث تتم معرفة مكونات هذه المواد، و كذا حساب تراكيزها من خلال شدة هذا الإشعاع المميز.

3. 2. المجهر الإلكتروني الماسح (EDX et MEB):

تعتمد نظرية عمل المجهرالإلكتروني الماسح على استخدام حزمة إلكترونية عالية الطاقة تصطدم بسطحالعينة عموديا، و من ثم يتم الكشف عن جميع الإشاراتالمنعكسة الصادرة من العينة باستخدام كواشف مختلفة.

يتميز هذا المجهر بقدرته التكبيرية،و التي تصل إلى أكثر من نصفمليون مرة، و عليه فقد وجد هذا المجهر طريقه إلى جميع التطبيقات العلمية وفي شتى مجالات العلوم، فبواسطة المجاهر الإلكترونية الماسحة الحديثةيمكن دراسة أسطح العينات و تركيباتها الدقيقة، و كذلك معرفة مكوناتهاو المراحل التي مرت بها  قبل التشكل، و كذا أصلها و تاريخها،و كذلك دراسة  أحجام الجسيمات و الجزيئات والميكروبات،و الكثيرمن التطبيقات الأخرى(6).

 3. 3. تقنية التحليل بالتنشيط النتروني(7):

يتلخص مبدأ عمل تقنية التحليل بواسطة التنشيط النتروني في جعل العينة المراد تحليلها نشطةً إشعاعياً، و ذلك بتعريضها إلى تيارات نترونية، ثم التَعَرُّفِ على العناصر المشعة المتكونة من المركبات أو الشوائب الموجودة في العينة.

يجري تحديد العناصر الموجودة في العينة  تحديدا كيفيا من خلال تحديد أشعة غاما المميزة المنبعثة عن العينة المدروسة، كمايجري حساب تراكيز العناصر الموجودة في العينة كميا من خلال قياس شدة النشاط الإشعاعي الذي يتناسب مع كمية العنصر المشع(8).

 4. نتائج القياسات المختلفة:

4. 1. تحضير العينات:

سنجري دراستنا على عينات من رمل الكثبان لمنطقة ورقلة، المتواجدة في الجهة الجنوبية الغربية للمدينة، و بالضبط من منطقة محيريزة. لقد صنفنا العينات إلى:

‌أ)        العينة العامة: و هي عينة مأخوذة من رمل الكثبان الطبيعية كما هي دون إجراء أية معالجات فيزيائية  أو كيمائية لها.

‌ب)   العينات المفروزة: و هي عينات لرمل الكثبان نفسه، فرزت وفق الحجم أو اللون:

ب.1) الفرز وفق الحجم: تم بواسطة غرابيل مختلفة الأقطار. الجدول (3) يوضح ذلك:

ب.2) الفرز وفق اللون:  لقد اكتفينا هنا بفرز العينة رقم 8ذات الأقطار0.63< D <1.25، و هذا للتباين الواضح في حبيباتها، ثم فصلت هذه الأخيرة وفق الألوان المرئية البادية عليها بواسطة ملقط يدوي إلى أربعة ألوان رئيسة هي:البنية أو الحمراء و البيضاء الشفافة و البيضاء الشافّة و السوداء أو الرمادية.

4. 2. نتائج تقنية (XRF):

تتطلب هذه التقنية مصادر لأشعة سينية أو أشعة غاما أولية تتفاعل مع المادة المدروسة لإحداث ظاهرة التفلور. تعد بعض المواد مثل مادة الحديد  Feوالكادميوم  Cd مصادر لأشعة سينية، أمّا مادة الأمريكيوم  Am  فهي مصدر لأشعة غاما. تعدُّدُ المصادر المستخدمة في هذه التقنية يرجع إلى أن لكل مصدر مجالَ كشف خاصا به.

 فيما يلي نتائج التحليل الكمي و النوعي للعينة العامة:

الإشارة (*)  تشير إلى وجود العنصر في العينة، إلا أننا لم نستطع حساب تركيزه بسبب نقص المعطيات.

  ما نتائج التحليل النوعي للعينات الملونة فهي مجدولة  فيما يلي                            

   

. 3. نتائج تقنية المجهر الإلكتروني الماسحEDX و MEB:

يظهر التصوير بالمجهر الإلكتروني الماسح صورا لعينات من الرمل ذات ألوان مختلفة و كذا لأسطح بعض حبيباتها، كما يعطي التحليل بتقنية   EDX  أهم مكونات هذه العينات و نسبها

الشكل 1: صور المجهر الإلكتروني الماسح لعينات من الرمل مختلفة الألوان و لسطوح إحدى حبيباتها

أما التحليل الكمّي فلُخّص في الجداول التالية:

. 5. خلاصة نتائج القياسات:

 بعد عرض نتائج التحليل المتحصل عليها بالتقنيات المختلفة، يمكننا تلخيص مكونات رمل كثبان منطقة ورقلة كلها في جدول واحد، الجدول (8  كما يلي:

أما التحليل الكمّي فلُخّص في الجداول التالية:

4. 4. نتائج تقنية التحليل بواسطة التنشيط النيتروني:

         فيما يلي نتائج التحليل النوعي و الكمي لعينة من الرمل، هي العينة العامة، باستخدام تقنية التنشيط النووي.

4. 5. خلاصة نتائج القياسات:

بعد عرض نتائج التحليل المتحصل عليها بالتقنيات المختلفة، يمكننا تلخيص مكونات رمل كثبان منطقة ورقلة كلها في جدول واحد، الجدول (8  كما يلي:

 . خلاصة:

 لقد استخدمنا ثلاث طرق لتحليل عينات من رمال الكثبان لمنطقة ورقلة، و عرفنا من خلال ذلك معظم مكونات هذا الرمل، و هي ما يقرب من خمسين عنصرا، إلا أن معظمها ذو تركيز ضئيل جدا، باستثناء بعض العناصر، و أهمها السيلسيوم Si و الكالسيوم  Caو البوتاسيوم K و الحديد Fe و المنغنيز Mn، فقد وُجدت بتراكيز عالية، و بتراكيز أقل منها الصوديوم Na و الكبريتS و الكروم Cr و الأكسجين O، و بتراكيز أضأل الألمنيوم Al  و الباريوم   Baو السيريوم Ce  و المغنزيومMg،  و أخرى تكاد تكون معدومةً.

لقد تمكنا أيضا من عزو ألوان حبيبات الرمل إلى بعض العناصر الموجودة فيها؛ فالحبيبات البنية اللون                                                                                               تحتوي على السيلسيوم Si بكميات كبيرة نوعا ما، و على الحديد  Fe بكميات معتبرة. أمّا البيضاء الشفافة فهي تحوي أساسا الكالسيوم Caو الكبريت S بكميات كبيرة، فإذا كانت غير شفافة فإن ذلك يدل على وجود البوتاسيوم K بتركيز قليل. إذا كانت الحبيبات رمادية أو سوداء فإنها تحتوي على السيلسيوم Si   و الأكسجين O بكمية كبيرة، و على  البوتاسيوم  K بكمية معتبرة.

 من خلال ما سبق يمكننا القول أن الرمال تعتبر مصادر طبيعية للعديد من المواد المهمة، و خاصة مادة السيلسيوم Si،    و التي تكون بوفرة في حبيبات الرمل البنية و السوداء.

 نشير أيضا إلى أن رمال الكثبان بمنطقة ورقلة تحوي بعض العناصر الثقيلة، و هي على الرغم من قِلَّتها تُعتبر مهمة، بحيث تكون في معظم الأحيان مواد مشعة، و كمثال على ذلك البوتاسيوم K و الروبيدومRd   و سلسلتا العناصر المشعة المتولدة من تحلل اليورانيوم  Uو الثوريوم  Th  و لانثنيوم La ، و التي تم الكشف عنها خلال هذه الدراسة.

  تشكرات:

 يدخل هذا العمل ضمن نشاطات البحث التي يقوم مخبر فيزياء الإشعاع و البلازما وفيزياء السطوح (LRPPS)، بقسم علوم المادة بجامعة ورقلة.

 نتقدم بالشكر الجزيل لمخبر استغلال و تثمين المصادر الطبيعية في المناطق الجافة (EVRNZA)، لما قدموه لنا من تسهيلات في استغلال بعض ما لديهم من تجهيزات مخبرية.

 نتوجه أيضا بالامتنان إلى كل عمال مركزَي البحث النووي بالجزائر(CRNA)  و ببيرين (CRNB)، خاصة أولئك الذين عملنا معهم على إجراء القياسات، و ذلك على تمكينهم إيّانا من استخدام ما لديهم من تجهيزات و أدوات قياس، و كذا على ما قدموه لنا من عون علمي و تقني.

 المراجع

 

[1] http://www.geologyofmesopotamia.co   (cosulté le 21Mars 2012).

 [2] Youcef Touil, Samir Taha, Rachid Issaadi, Abdelatif Amrane; ‘’Pilot plant for wastewater treatment involving septic pit and biological filtration on sand of dunes of the Algerian Sahara’’; Desalination and Water Treatment, 10, pp 148- 152 (2009).

 [3] http://www.kenanaonline.net  (cosulté le 30 Mars 2012).

 [4] https://docs.google.com  (cosulté le 02 Mai 2012)

 [5] "خواص و اختبارات التربة"، المؤسسة العامة للتعليم الفني و التدريب المهني، ص 27، المملكة العربية السعودية (2005)   

 [6] http://www.arabency.com (cosulté le 17 Mai 2012 ).

 [8] ف.س. يميليانوف ، "الموسوعة الموجزة في الطاقة الذرية"، دار النشر الخاصة بالموسوعة السوفييتية الكبرى، موسكو (1958)  

 [7] Slamene Hocine ; ‘’Rapport de synthèse pour confirmation, N° 4: CRNB, 03 Octobre  2009