作为尼日利亚东部尼日尔三角洲阿夸伊博姆地区关键带（沿海区域）古环境重建指标的自然放射性核素浓度

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Natural radionuclide concentrations as proxies for paleo-environmental reconstruction in the critical zone (coastal region) of Akwa Ibom, eastern Niger delta, Nigeria

本研究分析尼日利亚阿克瓦伊博姆海岸15个沉积样本中铀、钍、钾的分布及富集特征，结合主成分分析和富集因子分析，揭示了地质成因、氧化还原动态及人为活动的影响，发现铀在还原环境富集，钍受岩石类型控制，钾减少与风化相关，为古环境重建提供新方法，并强调生态健康与资源管理的重要性。

　　

Ebong D. Ebong | Anthony E. Akpan | Benjamin O. Omang | Romeo A. Ojong

应用地球物理学项目，卡拉巴尔大学物理系，PMB 1115，卡拉巴尔，尼日利亚

摘要

本研究调查了尼日利亚南部阿夸伊邦（Akwa Ibom）沿海地区表层沉积物中天然放射性核素的分布、富集情况及其环境影响。共收集了15个复合沉积物样本，并使用高纯度锗（HPGe）探测器进行了高分辨率伽马射线光谱分析。通过描述性统计、富集因子分析和主成分分析（PCA）来评估来源、风化作用、氧化还原动态和人为活动的影响。放射性核素的浓度分别为²³⁸U 0.72至2.82 ppm、²³²Th 0.68至17.66 ppm和⁴⁰K 0.11至0.80%。钍的富集表明其受到岩性的控制，而在埃凯特（Eket）和伊科特阿巴西（Ikok Abasi）地区，铀浓度超过2 ppm，这反映了在还原性的红树林和潮间带条件下铀（IV）的选择性固定。钾的流失则表明长石发生了风化作用。平均Th/U比值高于全球地壳平均水平，这与长英质来源及还原条件下的局部铀富集现象一致。富集因子分析显示铀的富集因子范围为0.48–5.38，其中埃凯特I（Eket I）的富集因子最高；而钾的富集因子平均低于0.3，证实了钾的强烈流失。PCA解释了约95%的方差，其中PC1（52%）与氧化还原敏感的铀积累相关，PC2（31%）与钾的流失和人为影响相关，PC3（11%）与剩余的差异相关。埃凯特和伊科特阿巴西地区的样品以铀富集为主，而奥龙（Oron）和伊贝诺（Ibeno）地区则表现出富含钍的特征。这些空间趋势突显了从氧化性、富含钍的海滩脊环境向还原性、富含铀的红树林环境的转变。本研究首次将U–Th–K系统与多元统计方法相结合，用于重建尼日尔三角洲（Niger Delta）沿海地区的古环境条件，而以往的研究主要集中在放射性风险方面。

引言

天然存在的放射性核素，如铀、钍和钾，是地壳的基本组成部分，它们在沉积物中的分布为了解地质时间尺度上的沉积环境形成的地球化学过程提供了关键线索（Alzubaidi, 2022; Popoola et al., 2025）。除了在放射性健康评估中的广泛应用外，放射性核素的迁移性和积累还作为沉积物来源、沉积物成熟度、风化强度的地球化学示踪剂，并能指示古氧化还原条件（Stafford, 2007; Mahu et al., 2018; Peralta Vital et al., 2024; Frau et al., 2025; Khan et al., 2025）。在关键带地球物理学框架内，这类研究的重要性显著增加，该领域研究近地表环境中岩石圈、水圈、生物圈和大气圈之间的耦合过程（Akpan et al., 2016, 2018; Emeka et al., 2023; Singha et al., 2024; Ebong et al., 2024, 2025; Santhanabharathi et al., 2025; El-Shlemy et al., 2025）。放射性核素研究为评估这些相互作用提供了独特的方法，有助于了解土壤形成、沉积物循环、水文路径和生态系统韧性（Tiwari et al., 2024）。²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K在沉积物中的分布不仅反映了长期的地壳演化和沉积物传输机制，还限制了调节水质、土壤肥力和土地生产力的地表-地下反馈（Thollon, 2020; Ramon, 2021; Amable, 2023）。

研究表明，U–Th–K系统已被应用于多种地质环境中，以揭示沉积过程（Gama and Schwark, 2022; Wang et al., 2025）、盆地演化（Majidi et al., 2021）、资源勘探和古环境重建（Osoro, 2021），其应用范围还扩展到经济、社会和生态领域（Joel et al., 2021; Chadi, 2022）。铀和钍是核能的战略资源，而钾则有助于农业生产力（Sardans and Pe?uelas, 2021; Jyothi et al., 2023）。此外，它们在沉积物中的分布模式有助于完善盆地演化模型，这对碳氢化合物勘探和沿海基础设施规划至关重要（Thakur et al., 2022; Egbueri et al., 2024）。放射性核素测绘还为环境健康、公共安全和可持续土地利用提供了基础数据，尤其是在沉积物广泛用于农业和建设的脆弱沿海地区（Akpan et al., 2020; Isinkaye and Ajiboye, 2022; Esi et al., 2024）。基于放射性核素的古环境重建有助于区分自然变化和人为影响，支持对敏感的红树林、河口和海洋生态系统的保护，并评估水生食物网中的潜在生物累积风险（Pant et al., 2024; Shafik, 2025; Yadav et al., 2025）。在埃塞俄比亚东北部安戈特-加佐（Angot–Gazo）火山高原的夹层沉积物中，Zemelak等人（2024）利用U/Th比值来表征土壤形成和沉积物循环。在孟加拉国北部，Rahman等人（2020）展示了放射性核素比值如何区分河流沉积物中的来源和风化特征。这些研究表明放射性核素在地球物理学、地球化学和环境科学中的跨学科相关性。

尽管具有广泛的意义，但阿夸伊邦（即尼日尔三角洲东部，世界上最活跃的沉积盆地之一）的沿海沉积物除了放射性风险评估之外，仍研究不足。尼日尔三角洲内的先前研究主要集中在量化放射性核素水平以评估环境安全和辐射剂量（Akpan et al., 2020; Omeje et al., 2024; Ndoma et al., 2025; Osiga-Aibangbee et al., 2025），仅有少数研究报道了采矿和环境污染等人为影响下的铀富集现象（Bello and Orosun, 2025; Orosun et al., 2025; Joledo et al., 2025）。然而，在西非热带三角洲系统中，将U–Th–K系统作为古环境研究的地球化学指标的应用仍然很少。因此，本研究通过结合氧化还原敏感的放射性核素比值和多元统计方法，填补了方法论和区域研究的空白，区分了沿海沉积物中的沉积相和成岩特征。此外，这种方法超越了传统的描述性放射性调查和剂量评估，提供了关于关键带过程、过去沉积和环境条件的深入见解。

本研究旨在利用铀、钍和钾的浓度及其元素比值，作为尼日利亚尼日尔三角洲东部阿夸伊邦沿海地区古环境重建的地球化学指标。通过应用关键带地球物理学框架下的伽马射线光谱技术，本研究旨在增进对该地区沉积系统的理解，并为关于热带沿海环境中的环境变化、资源可持续性和生态系统脆弱性的跨学科讨论做出贡献。同时，它也有助于科学理解热带三角洲系统的沉积过程，并支持可持续资源管理和环境健康。

地点与地质

本研究在尼日利亚南部的阿夸伊邦沿海带进行，地理范围为北纬4°25′–4°40′，东经7°30′–8°30′（图1）。调查覆盖了五个沿海定居点：奥龙（Oron）、埃凯特（Eket）、伊贝诺（Ibeno）、东奥博洛（Eastern Obolo）和伊科特阿巴西（Ikok Abasi）。该地区位于湿润的赤道带，具有两个明显的季节：从3月到10月的漫长雨季和从11月到2月的相对短暂的旱季。

采样与野外程序

共收集了15个复合沉积物样本，以代表研究剖面沿线的主要沉积环境（即海滩脊沙、红树林泥炭/潮间带和河口泥）。复合采样减少了小尺度异质性，适用于区域调查和比较统计分析。采样在过渡期间进行。

放射性核素浓度分布

15个采样点的放射性核素浓度分布显示出明显的空间变化，这反映了地质作用和环境因素的影响。钍的浓度始终高于铀和钾，其值范围为0.68至17.66 ppm，其中奥龙II（Oron II）、伊贝诺I（Ibeno I）和伊贝诺III（Ibeno III）的富集程度最高（表1），表明含有钍的副矿物（如独居石）在岩性上起主导作用。

氧化还原动态与沿海陆水界面

沿海沉积物中铀的分布强烈依赖于氧化还原动态，尤其是在过渡性的红树林和潮间带环境中。在氧化性的地表水中，铀通常以可溶的六价铀[U(VI)]形式存在，形成铀酰-碳酸盐和铀酰-硫酸盐复合物，这些复合物在孔隙水和地表水中易于迁移（Zachara et al., 2013; G?k?e, 2022）。相反，在还原条件下，微生物和非生物途径会减少铀的氧化。

结论

本研究调查了尼日尔三角洲东部阿夸伊邦沿海沉积物中天然放射性核素的浓度和分布模式，证明了它们作为古环境重建的廉价地球化学指标的有效性。结果表明，结合使用氧化还原敏感的放射性核素比值和多元统计方法可以可靠地揭示来源、氧化还原动态和风化过程之间的相互作用。

CRediT作者贡献声明

Ebong D. Ebong：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论制定、调查实施、数据分析、概念化。Anthony E. Akpan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、项目监督、方法论指导。Benjamin O. Omang：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件使用、数据分析。Romeo A. Ojong：撰写 – 审稿与编辑、可视化

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢匿名审稿人的建设性贡献，这些贡献显著提高了我们手稿的质量。