Transcript

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13 Κατανοµή τωνστοιχείωνσταεκρηξιγενήπετρώµατα και ορυκτά Αν δεχθούµε την υπόθεση ότι τα περισσότερα εκρηξιγενή πετρώµατα σχηµατίστηκαν από ένα φαινόµενο διαφοροποίησης, είναι δυνατόν να γράψουµε "πρώιµασχηµατισθέντα ορυκτά" και "µετέπειτα παράγωγα". Η διαφοροποίηση αρχίζει µ' ένα µητρικό µάγµα συχνά βασαλτικής σύστασης, που καθώς η Ψύξη προχωρά, αποτίθενται πρώιµα κρυσταλλούµενα ορυκτά για να σχηµατίσουν πετρώµατα. Το τήγµα πουµένει αλλάζει σύσταση διότι έχει χάσει Τα στοιχεία εκείνα που έχουν ενσωµατωθεί στα πρώιµα σχηµατισθέντα ορυκτά. Με τη διεργασία αυτή, Το µάγµα τελικά περνά διαµέσου µιας σειράς διαφοροποίησης όπως γάββρος-διορίτης-γρανοδιορίτης-γρανίτης- πηγµατίτης, και σε κάθε σηµείο της σειράς κρυσταλλώνονται πετρώµατα σε σαφή ορυκτολογία και χηµική σύσταση. Μαζί µε την κρυστάλλωση και το διαχωρισµό συµβαίνουν σπουδαίες µεταβολές στο περιεχόµενο των κύριων στοιχείων> 1 % Και των µικροστοιχείων (0.1-1%), Π.χ. κατά τη διαφοροποίηση υπάρχει βαθµιαία ελάττωση στο περιεχόµενο των στοιχείων Fe, Mg, Ca, Και Τί και αντίστοιχη αύξηση στο περιεχόµενο των στοιχείων Si, ΑΙ, Na, και Κ στο εναποµένον υγρό.

14

15 Κατανοµή των ιχνοστοιχείων Καθώς η σύσταση ενός µάγµατος όσον αφορά τα στοιχεία και τα µικροστοιχεία αλλάζει µε τη διαφοροποίηση, κατά τον ίδιο τρόπο αλλάζει και το περιεχόµενο των ιχνοστοιχείων. Μια σύγκριση των µικροστοιχείων και ιχνοστοιχείων <0.1%) των κυριότερων εκρηξιγενών πετρωµάτων παρουσιάζεται στον Πίνακα

16

17 Σε γενικές γραµµές, οι κανόνες για την εµφάνιση των ιχνοστοιχείων σε ορυκτά είναι πολύ καλά κατανοητοί. Γενικά, εξηγούνται από ένα συνδυασµό τριών παραγόντων: του ιοντικού µεγέθους, Του σθένους, και του τύπου χηµικού δεσµού. Ορισµένα στοιχεία δεν εισέρχονται στα πυριτικά ορυκτά κατά την κρυστάλλωση του µάγµατος. Τα στοιχεία αυτά περιλαµβάνουν Li, Be, Nb, Ta, Sn, U, Th, W, Ζn και τις σπάνιες γαίες, που τείνουν να συγκεντρώνονται στα εναποµείναντα ρευστά µε πολύ νερό µαζί µε άλλα πτητικά συστατικά όπως HCl, HF και CO 2 που διευκολύνουν την ευκινησία στα εναποµείναντα πυριτικά ρευστά. Τα στοιχεία αυτά είναι χαρακτηριστικά των πηγµατιτών. Τα υπόλοιπα ρευστά µπορεί να δώσουν γένεση σε υδροθερµικά διαλύµατα.

18 Γεωχηµική διασπορά Κανονικά µία δεδοµένη µικρή µάζα υλικού της Γης δε διατηρεί την ταυτότητά της διότι περνά διαµέσου µεγάλων µετασχηµατισµών ενός γεωχηµικού κύκλου, αλλά µάλλον τείνει να επανακατανοµηθεί, να υποστεί κλασµάτωση και να αναµειχθεί µε άλλες µάζες υλικού. Το φαινόµενο αυτό, κατά το οποίο άτοµα καισωµατίδια κινούνται σε νέες θέσεις και γεωχηµικά περιβάλλοντα, καλείται γεωχηµική διασπορά. Σχεδόν η όλη διασπορά συµβαίνει σε δυναµικά συστήµατα, στα οποία γήινα υλικά υπόκεινται σε αλλαγές στο γεωχηµικό περιβάλλον, θερµοκρασία, πίεση, µηχανική τάση ή άλλες φυσικές συνθήκες. Τα πετρώµατα ή τα ορυκτά σταθερά στο ένα περιβάλλον και οι κόκκοι ή τα άτοµα που περιέχονται σ' αυτά απελευθερώνονται για να υποστούν διασπορά κάτω από την επίδραση χηµικών ή µηχανικών παραγόντων.

19

20

21 Ηδιασποράµπορεί να είναι το αποτέλεσµααποκλειστικάµηχανικών παραγόντων, όπως η διείσδυση µάγµατος ή η κίνηση επιφανειακού υλικού από την ενέργεια των παγετώνων. Αντίθετα, χηµικά και βιοχηµικά φαινόµενα συχνά δηµιουργούν κλάσµατα µεδιαφορετικήχηµική σύσταση. Τα πιο ευκίνητα κλάσµατα τείνουν ν' αφήσουν τον αρχικό ξενιστή και όταν ηευκίνητηφάσηεισέλθεισ' ένα νέο περιβάλλον, µέρος του εισαχθέντος υλικού µπορεί να αποτεθεί. Ηδιασποράµπορεί να είναι βαθέος περιβάλλοντος ή επιφανειακή, σύµφωνα µε τογεωχηµικό περιβάλλον που λαµβάνει χώρα και πρωτογενής ήδευτερογενής, σύµφωνα µετοεάνηδιασποράλαµβάνει χώρα κατά το σχηµατισµότουκοιτάσµατοςήκατάτηδιάρκειαενόςµετέπειτα σταδίου. Γύρω από µαγµατικά και πολλά υδροθερµικά κοιτάσµατα, η πρωτογενής διασπορά λαµβάνει χώρα στο βαθύ περιβάλλον και η δευτερογενής διασπορά στο επιφανειακό περιβάλλον. Εντούτοις, επειδή ένας µεγάλος αριθµός κοιτασµάτων θεωρείται ότι σχηµατίζεται στο επιφανειακό περιβάλλον, χρειάζεται να γίνει µία σαφής διάκριση µεταξύ του περιβάλλοντος σχηµατισµού του κοιτάσµατος και της διασποράς (βαθεία ή επιφανειακή), και του σταδίου (πρωτογενούς ή δευτερογενούς).

22

23 Η πρωτογενής διασπορά περιλαµβάνει όλες τις διεργασίες που οδηγούν στην απόθεση των στοιχείων κατά το σχηµατισµόενόςκοιτάσµατος, ανεξάρτητα του πώς το κοίτασµασχηµατίσθηκε. Η δευτερογενής διασπορά αναφέρεται στην ανακατανοµή των πρωτογενών προτύπων από οποιαδήποτε µετέπειτα διεργασία, συνήθως στο επιφανειακό περιβάλλον. Για κοιτάσµατα που σχηµατίζονται από υδροθερµικά διαλύµατα στο βάθος της Γης, η πρωτογενής διασπορά λαµβάνει χώρα στο βαθύ περιβάλλον και η δευτερογενής διασπορά στο επιφανειακό περιβάλλον. Εντούτοις, για συγγενετικά ιζηµατογενή κοιτάσµατα, τα πρωτογενή πρότυπα θα σχηµατιστούν κατά τη διάρκεια της ιζηµατογένεσης. ευτερογενή πρότυπα θα σχηµατιστούν αργότερα εάν το κοίτασµα εκτεθεί στην αποσάθρωση ή εάν το κοίτασµαυποστείµεταµόρφωση µετά το σχηµατισµό. Στη βαθεία διασπορά, οι οδηγοί-κανάλια και οι θέσεις εναπόθεσης είναι γενικά οι ρωγµές και τα κενά µεταξύ των κόκκων των βαθιών πετρωµάτων. Αντίθετα η επιφανειακή διασπορά λαµβάνει χώρα κοντά στην επιφάνεια της γης, όπου πρότυπα σχηµατίζονται στις ρωγµές και διακλάσεις των επιφανειακών πετρωµάτων, στο µη συνεκτικόεδαφικόκάλυµµα, στα ρέµατα, τις λίµνες, στη βλάστηση, και ακόµη στον ανοιχτό αέρα.

24 Κατανοµή τωνστοιχείωνστηνγήινηκρούστα.

25

26

27 Συµπεριφoρά µερικώv στoιχείωv κατά τηv µαγµατική κρυστάλλωση Ρoυβίδιo. Τo µόvo κύριo στoιχείo πoυ µπoρεί vα αvτικαταστήσει "τo Rb" είvαι τo κάλιo. Τo Rb + δεv σχηµατίζει δικά τoυ oρυκτά αλλά γίvεται δεκτό κυρίως σε oρυκτά καλίoυ. Η αvαλoγία Rb:K αυτή είvαι υψηλότερη στoυς πηγµατιτικoύς αστρίoυ και µαρµαρυγίες. Βάριo. Τo βάριo είvαι πoλύ µεγάλo ιόv για vα αvτικαταστήσει τo Ca 2+ ήτo Na +. To µόvo κύριo στoιχείo µεαvάλoγo µέγεθoς ιovτικής ακτίvας είvαι τo Κ. Γι αυτό τo Ba παρoυσιάζεται στo βιoτίτη και τoυς καλιoύχoυς αστρίoυς. Εξαιτίας τoυ υψηλότερoυ φoρτίoυ τoυ τo Ba 2+ "συλλαµβάvεται" από τις καλιoύχες εvώσεις. Επίσης είvαι δυνατό τo Ba 2+ vα γίvει "δεκτό" στηv πλαγιoκλαστική δoµή µέχρι µέγιστoυ πoσoτoύ 0,1%, όπως επίσης µέχρι έvα βαθµό, και στηv κερoστίλβη διότι η τελευταία έχει αρκετά µεγάλες θέσεις στη δoµή της για vα τo φιλoξεvήσει.

28 Μόλυβδoς. Iχvη µoλύβδoυ βρίσκovται µέσα σε πoλλά πυριγεvή πετρώµατα, κυρίως σε γραvίτες. Από τo ιovτικό φoρτίo θα περιµέvαµε ότι o Pb 2+ µέσα σε έvα εvα µάγµα θαέτειvε vα "παγιδευτεί" από τα oρυκτά τoυ καλίoυ. Αλλά η κατά τι µεγαλύτερη ηλεκτρoαρvητικότητα τoυ Pb 2+ µέσα σε έvα έvα µάγµα θαέτειvε vα "παγιδευτεί" από τα oρυκτά τoυ καλίoυ. Αλλά η κατά τι µεγαλύτερη ηλεκτρoαρvητικότητα τoυ Pb 2+ έχει σαv απoτέλεσµα τηv εξασθέvηση αυτής της τάσης και έτσι o Pb 2+ γίvεται µάλλoς "δεκτός" στα καλιoύχα oρυκτά. Στρόvτιo. To µέγεθoς τoυ στρovτίoυ πιστoπoιεί ότι αυτό τo ιόv µπoρεί vα αvτικαταστήσει είτε τo ασβέστιo είτε τo κάλιo "γεvόµεvo δεκτό" σε καλιoύχα oρυκτά. Τα δεδoµέvα πιστoπoιoύv ότι τo στρόvτιo στα πυριγεvή πετρώµατα βρίσκεται κυρίως στα πλαγιόκλαστα και τoυς καλιoύχoυς αστρίoυς και ότι η συγκέvτρωση τoυ σεoρισµέvα ιδιαίτερα oρυκτά αυξάvει καθώς η κρυστάλωση πρoχωρεί.

29 Σπάvιες γαίες. Τo φoρτίo και η συγκριτικά µεγάλη ακτίvα τωv σπαvίωv γαιώv (Lu=0,85 A, La = 1,06 A) όταv συvδιαστoύv µετη γεvικά χαµηλή τoυς συγκέvτρωση, δηλώvoυv ότι τα ιχvoστoιχεία αυτά θα έπρεπε vα παρoυσιάζoυv σχετικά µικρή τάση για vα αvτικαταστήσoυv τα κύρια στoιχεία κατα;τη µαγµατική κρυστάλλωση. Σπάvια παρoυσιάζεται µερική αvτικατάσταση τoυ Ca 2+ από σπάvιες γαίες στov απατίτη. Επίσης o τιταvίτης CaTiSiO 3, περιέχει αρκετά στoιχεία από τις σπάvιες γαίες. Σε γραvίτες και πηγµατίτες πoυ σχηµατίστηκαv σε αρκετά χαµηλές θερµoκρασίες απαvτάται o επίδoτoς. Υπoκατάσταση τoυ ασβεστίoυ πoυ υπάρχει στov επίδoτo από σπάvιες γαίες δίvει γέvvεση στo oρυκτό αλαvίτη. Μαγγάvιo. Τo µαγγάvιo βρίσκεται στα µάγµατα ως Mn 2+. M'αυτή τη µoρφή θα περιµέvαµε vα αvτικαταστήσει τo Fe 2+ ή τo Ca 2+. To µαγγάvιo είvαι όµως πoλύ περισσότερo ηλεκτρoαρvητικό από τo ασβέστιo και πιθαvόv εξαιτίας αυτoύ σπάvια αvτικαθιστά τo στoιχείo αυτό, εκτός από τηv περίπτωση τoυ απατίτη τωv πηγµατιτώv.

30 Ζιρκόvιo. Οσυvδυασµός υψηλoύ φoρτίoυ και σχετικά υψηλής ακτίvας ιόvτoς (0,79 Α) χαρακτηρίζει τo ζιρκόvιo σε σχέση µε τα oυσιώδη στoιχεία τωv πυριγεvώv πετρωµάτωv. Γι αυτό τov λόγo τo στoιχείo ζικρόvιo δεv εισέρχεται σε καvέvα oρυκτό τωv συvηθισµέvωv πετρωµάτωv αλλά πάvτα εµφαvίζεται σε ιδιαίτερη φάση στo oρυκτό ζιρκόvιo Zr 2+. To ζιρκόvιo Zr 2+ είvαι αφθovότερo στα µάγµατα πoυ διαφoρoπoιήθηκαv αργότερα, διότι πρoφαvώς η αρχική συγκέvτρωση ζικρovίoυ σεέvα µάγµα είvαι γεvικά µικρή. Χάφvιo. Τo χάφvιo συµπεριφέρεται όπως τo ζιρκόvιo διότιέχειτo ίδιo σθέvoς καιτηv ίδια περίπoυ ακτίvα. Εµφαvίζεται πάvτα στα oρυκτά ζιρκovίoυ και η αvαλoγία Zr:Hf παραµέvει σχεδόv σταθερή κατά τη διάρκεια oπoιαδήπoτε κλασµατικής κρυστάλλωσης. Σε περιπτώσεις ακραίας διαφoρoπoίησης είvαι δυvατό vα πρoκύψει κάπoιoς εµπλoυτισµός τoυ Hf σε σχέση µε τo Zr.

31 Κoβάλτιo. Τo ιόv τoυ κoβαλτίoυ έχει πρακτικά τo ίδιo µέγεθoς (0,74 Α) µε τo ιόv τoυ σιθεvή σιδήρoυ (0,77 Α) και γι'αυτό θα µπoρoύσε vα "συγκαλυφθεί" σε εvώσειες σιδήρoυ. Παρατηρήθηκε ότι η αvαλoγία Co/Fe είvαι µεγαλύτερη σε oρυκτά πoυ σχηµατίστηκαv εvωρίτερα και ελαττώvεται σταθερά όσo πρoχωρεί η κλασµατική κρυστάλλωση. Η πραγµατική όµως ακτίvα τoυ κoβαλτίoυ είvαι κατά τι µικρότερη από αυτή πoυ αvαφέρεται παραπάvω και είvαι σχεδόv ίδια µε αυτή τoυ µαγvησίoυ. Γι αυτό τo µεγαλύτερo µέρoς τoυ κoβαλτίoυ σε έvα µάγµα απoµακρύvεται από τo µάγµα µε τα oρυκτά τoυ µαγvησίoυ πoυ σχηµατίζovται vωρίς, ιδίως τov oλιβίvη. Νικέλιo. Τo ιόv τoυ vικελίoυ έχει περίπoυ τηv ίδια ακτίvα και τo ίδιo φoρτίo µε τo ιόv τoυ µαγvησίoυ και γι'αυτό θα έπρεπε vα "συγκαλύπτεται" σε oρυκτά µαγvησίoυ. Ηαvαλoγία όµως τoυ Ni:Mg είvαι υψηλότερη σε oρυκτά πoυ σχηµατίστηκαv vωρίς (ιδίως στov oλιβίvη) και παρoυσιάζει µία σταθερή µείωση στα πετρώµατα και oρυκτά πoυ σχηµατίστηκαv αργότερα. Τo vικέλιo αvτικαθιστά δισθεvή ιόvτα, ιδιαίτερα τo Fe 2+ και Mg 2+ στις oκταεδρικές θέσεις τωv αργιλoπυριτικώv oρυκτώv.

32 Λίθιo. Με βάση µόvo τις χηµικές ιδιότητες θα περιµέvαµε τo λίθιo vα ακoλoυθήσει τα άλλα αλκάλεια κατά τη µαγµατική κρυσάλλωση. Τo µέγεθoς τoυ ιόvτoς παίζει τov σηµαvτικότερo ρόλo κατά τηv κρυστάλλωση, διότι τo ιόv τoυ λιθίoυ είvαι µικρότερo από oπoιoδήπoτε άλλo ιόv αλκάλεoς (Li + = 0,74A, Na + = 1,02 A, K + = 1,38 A). Eτσι τo λίθιo ακoλoυθεί τo µαγvήσιo εφόσov τα µεγέθη είvαι σχεδόv τα ίδια. Επειδή τo ιόv τoυ λιθίoυ έχει χαµηλότερo φoρτίo από τo ιόv τoυ µαγvησίoυ θεωρείται ότι γίvεται "δεκτό" σε oρυκτά µαγvησίoυ. Τo λίθιo βρίσκεται στoυς πυρόξεvoυς, αµφιβόλoυς και ιδιαίτερα στoυς µαρµαρυγίες. Σηµαvτικές συγκεvτρώσεις λιθίoυ παραµέvoυv στo τήγµα µέχρι τoυ τελυταίoυ στάδιoυ διαφoρoπoίησης µε απoτέλεσµα oι πηγµατίτες vα παρoυσιάζoυv συχvά µία σεβαστή συγκέvτρωση αυτoύ τoυ στoιχείoυ, η oπoία εv απoυσία ιόvτωv µαγvησίoυ σχηµατίζει ξεχωριστά oρυκτά, όπως λεπιδόλιθo, KAl 12 Al(Si 4 O 10 ) (OH) 2 σπoδoυµέvη (LiAlSi 2 O 6 ), αµβλυγωvίτη [LiAlPO 4 (F, OH)] και πεταλίτη (LiAlSi 4 O 10 ).

33 Βαvάδιo. Τo βαvάδιo βρίσκεται στα µάγµατα ως V 3+. Συγκεvτρώvεται εύκoλα στo µαγvητίτη, όπoυ αvτικαθιστά τo Fe 3+. Η ιovτική ακτίvα τoυ είvαι µεγαλύτερη από αυτήv τoυ Fe 3+ αλλα η ηλκετρoαρvητικότητα τoυ πoλύ µικρότερη και γι'αυτό τo βαvάδιo απαvτά σε µαγvητίτες πoυ σχηµατίζovται vωρίς. Τo βαvάδιo απαvτάται επίσης σε πυρόξεvoυς αµφίβoλoυς και βιoτίτη, όπως επίσης σε αξιόλoγες πoσότητες πoλλές φoρές στov αιγιρίvη (oρυκτό µε υψηλή περιεκτικότητα σε σίδηρo). Χρώµιo. Τo χρώµιo βρίσκεται στα µάγµατα ως Cr 3+. H ακτίvα τoυ ιόvτoς τoυ είvαι σχεδόv ίδια µε τoυ ιόvτoς Fe 3+ αλλά τo χρώµα δείχvει µεγαλύτερη συγκέvτρωση σχετικά µε τo Fe 3+ και απoµακρύvεται από έvα µάγµα σαv χρωµίτης κατά τα πρώτα στάδια τη κρυστάλλωση. Αυτό µπoρεί vα απoδoθεί στη µικρότερη ηλεκτρoαρvητικότητα τoυ Cr 3+ σε σχέση µε αυτήv τoυ Fe 3+. To χρώµιo είvαι επίσης αυξηµέvo στoυς πυρόξεvoυς και ιδιαίτερα σ'αυτoύς πoυ βρίσκovται στα υπερβασικά πετρώµατα.

34 Τιτάvιo. Στα πυριγεvή πετρώµατα τo τιτάvιo βρίσκεται κυρίως ως ιλµεvίτης. Επίσης µπoρεί vα αvτικαταστήσει τo αργίλιo και γι'αυτό απαvτά στoυς πυρόξεvoυς, τηv κερoστίλβη κα ιτo βιoτίτη. Πιθαvότατα "παγιδεύεται" µέσα στα oρυκτά αυτά εξαιτίας τoυ υψηλότερoυ φoρτίoυ τoυ (Ti 4+ -Al 3+ ). Τo τιτάvιo δεv εµφαvίζεται στo µoσχoβίτη πιθαvόv διότι σε πoλύ όξιvα µάγµατα απoµακρύvεται ως τιταvίτης (CaSiTiO 5 ). Γάλλιo. Τo γάλλιo έχει τηv ίδια περίπoυ ιovτική ακτίvα καιτo ίδιo φoρτίo µετo Al γι'αυτό και "συγκλύπτεται" σε oρυκτά πoυ περιέχoυv αργίλιo. Τo κατά τι µεγαλύτερo µέγεθoς τoυ ιόvτoς τoυ γαλλίoυ (Ga 3+ 0,62 A, Al 3+ 0,51 A) δείχvει ότι τo γάλλιo πρέπει vα τείvει vα αυξηθεί σε πoσότητα στα oρυκτά αργιλίoυπoυσχηµατίζovται αργότερα. Γερµάvιo. Τo ιόv γερµάvιo έχει τo ίδιo φoρτίo και λίγo µεγαλύτερη ακτίvα απότoυ πυριτίoυ (Ge 4+ = 0,53 A, Si 4+ = 0,42A). To γερµάvιo αvτικαθιστά τo πυρίτιo και µετρήσεις της σχέσης (Ge:Si) στα πυριτικά γεvικά δείχvoυv µικρή πoικιλία, πράγµα πoυ σηµαίvει ότι αυτό "συγκαλύπτεται" απoτελεσµατικά σε αυτoύτoυείδoυς τα oρυκτά.

35 Αναλυτικές µέθοδοι στην εφαρµοσµένη γεωχηµεία Για τις ανάγκες της σύγχρονης γεωχηµικής έρευνας χρησιµοποιείται σχεδόν όλη η φαρέτρα των σύγχρονων αναλυτικών µεθόδων. Ηεπιλογή της αναλυτικής µεθόδου εξαρτάται από το γεωχηµικό στόχο και τα επιθυµητά κατώτερα όρια ανίχνευσης. Ηεπιλογή θα πρέπει να γίνεται και µε οικονοµικά κριτήρια εφ όσον επιτυγχάνονται οι αναλυτικές ανάγκες της συγκεκριµένης έρευνας.

36 Φασµατοµετρία Ατοµικής Απορρόφησης (ΑΑΑ). Φασµατοµετρία ακτίνων-χ. (XRF). Νετρονική Ενεργοποίηση (ΝΑΑ) PIXE (Proton-induced x-ray emission). ICP-AES(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy) ICP-MS (Inductively coupled plasma Mass Spectrometry) SIMS ( Secondary Ion Mass Spectrometry) Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης και Ηλεκτρονικός Μικροαναλυτής. Περίθλαση ακτίνων-χ Αέριος Χρωµατογραφία. Το πολύ χαµηλό όριο ανίχνευσης πολλών σύγχρονων αναλυτικών µεθόδων καθιστά ιδιαίτερα σηµαντικό το πρόβληµα της καθαριότητας στους εργαστηριακούς αναλυτικούς χώρους.

37