ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΗΝ ΚΡΙΣΙΜΗ ΖΩΝΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΕΔΑΦΩΝ. Ε. Κελεπερτζής

Transcript

1 ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΗΝ ΚΡΙΣΙΜΗ ΖΩΝΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ ΕΔΑΦΩΝ Ε. Κελεπερτζής 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κρίσιμη ζώνη Έδαφος (ορισμός, παράγοντες εδαφογένεσης, ορίζοντες εδάφους) Χημική και ορυκτολογική σύσταση εδάφους Ποσοτικοποίηση ρυθμού αποσάθρωσης και κινητικότητας χημικών στοιχείων σε εδαφικά συστήματα 2

3 Κρίσιμη Ζώνη (Critical Zone) - ορισμός Το τμήμα της επιφάνειας της γης στο οποίο λαμβάνει χώρα η αλληλεπίδραση της βιόσφαιρας, της ατμόσφαιρας, της υδρόσφαιρας και της λιθόσφαιρας. Wilding and Lin 2007, Geoderma Περικλείει τον όγκο του επιφανειακού στρώματος της λιθόσφαιρας από το ανώτερο τμήμα της επιφανειακής βλάστησης έως τη βάση του υπόγειου νερού. 3

4 Αντιδραστήρας τροφοδοτούμενος με υλικό του πετρώματος Soil Regolith Rock Brantley et al., 2006, Elements Downward water flow Upward flow of solid materials 4

5 Ορισμός εδάφους Έδαφος είναι το ανώτερο τμήμα του γήινου φλοιού το οποίο αποτελείται από ανόργανα συστατικά, οργανικό υλικό, νερό και αέρα. Κενά πόρων (50%) Αέρας (20-30%) Εδαφικό νερό (20-30%) Στερεά συστατικά (50%) Οργανικό υλικό (5%) Ανόργανα συστατικά (45%) Διαλυμένα στοιχεία (ιόντα πχ. Ni 2+, Pb 2+, Zn 2+, HAsO 4 2, CrO 4 2- ) 5

6 Παράγοντες εδαφογένεσης 1) Κλίμα: οι μεταβολές της θερμοκρασίας και η ποσότητα των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων καθορίζουν την ένταση και το είδος της αποσάθρωσης σε κάθε περιοχή Ρυθμοί αποσάθρωσης σε σχέση με την ποσότητα των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων στη νήσο Χαβάη (το μητρικό πέτρωμα είναι βασάλτης) 6

7 2) Μητρικό υλικό: προσδιορίζει σε μεγάλο βαθμό τη χημική σύσταση του εδάφους που θα προκύψει από την αποσάθρωση του. Example: Basaltic parent material: οlivine, pyroxene, Ca-plagioclase Granitic parent material: K-feldspar, muscovite, quartz 3) Τοπογραφία: η μορφολογία του αναγλύφου επηρεάζει την ανάπτυξη των εδαφικών οριζόντων (οι εδαφικοί ορίζοντες σε απότομες πλαγιές δεν προλαβαίνουν να αναπτυχθούν = μικρό πάχος εδάφους). μεταφερμένο έδαφος Υπολειμματικό έδαφος Έλεγχος μητρικού υλικού και τοπογραφίας στο σχηματισμό του εδάφους. 7

8 4) Χρόνος: όσο μεγαλύτερη ηλικία έχει ένα έδαφος, τόσο περισσότερο διαφέρει η σύστασή του από τη σύσταση του μητρικού πετρώματος. (e.g Fe 3+, Ti 4+, Zr 4+, quartz, zircon, kaolinite, goethite, hematite, gibbsite) e.g, Ca 2+, Mg 2+, olivine, pyroxene, amphibole Αφθονία των συστατικών ενός εδάφους σε σχέση με το χρόνο Mg 2 SiO 4(s) + 4H 2 CO 3(aq) 2Mg 2+ (aq) +H 4 SiO 4(aq) + 4HCO 3 - NaAlSi 3 O 8(s) + H + (aq) +7H 2 O Na + (aq) + Al(OH) 3(s) + 3H 4 SiO 4(aq) 8

9 5) Βιολογικοί παράγοντες 3 σημαντικές διεργασίες: α) βιογενές CO 2 από τη διαπνοή των φυτών σχηματισμός H 2 CO 3 β) φαινόμενα ιοντοανταλλαγής = απελευθέρωση H + από τα φυτά (ταυτόχρονη πρόσληψη K +, Ca +2, Mg +2, Na + ) έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση του ph γ) η αποσύνθεση των φύλλων και των άλλων μορφών της οργανικής ύλης παράγει χουμικά οξέα τα οποία υποβοηθάνε την υδρόλυση των ορυκτών 6) Ανθρωπογενείς παράγοντες έχουν επιφέρει σε σημαντικό βαθμό μεταβολή στη χημική σύσταση των εδαφών. 9

10 Ορίζοντες εδάφους Ορίζοντας O: αποτελείται κυρίως από οργανικό υλικό Ορίζοντας Α: συνύπαρξη οργανικού υλικού και εδάφους αποτελούμενο από ορυκτολογικά συστατικά Ορίζοντας Ε: ζώνη απόπλυσης: α) απομάκρυνση πυριτικών ορυκτών και οξειδίων Fe και Al μέσω απόπλυσης =eluviation, β) απομάκρυνση στοιχείων (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + ) εν διαλύσει, έκπλυση=leaching Ορίζοντας Β: ζώνη εμπλουτισμού (συνάθροιση οξειδίων, αργιλικών, ανθρακικών και πυριτικών ορυκτών) Ορίζοντας C: μερικώς αποσαθρωμένο μητρικό υλικό R: Μητρικό πέτρωμα 10

11 Κατακόρυφο εδαφικό προφίλ (μητρικό πέτρωμα βασάλτης) 11

12 Περιεχόμενο των στοιχείων σε εδάφη Major elements Trace elements Element Earth's crust (mean) Soil (median) O 47.4% 49% Si 27.7% 33% Al 8.2% 7.1% Fe 4.1% 4% Ca 4.1% 1.5% Na 2.3% 0.5% K 2.1% 1.4% Ν 25 mg/kg 2000 mg/kg C 480 mg/kg 2% Mg 2.3% 0.5% Mn 950 mg/kg 1000 mg/kg S 260 mg/kg 700 mg/kg P 1000 mg/kg 800 mg/kg Ba 500 mg/kg 500 mg/kg Sr 370 mg/kg 250 mg/kg Ni 80 mg/kg 50 mg/kg Cr 100 mg/kg 70 mg/kg Cu 50 mg/kg 30 mg/kg Zn 190 mg/kg 400 mg/kg Σημαντικός εμπλουτισμός C και N σε σχέση με τις περιεκτικότητες στο γήινο φλοιό. Απεμπλουτισμός Ca, Na, K και Mg εξαιτίας της υψηλής διαλυτότητας που χαρακτηρίζει τα κύρια ορυκτολογικά συστατικά που περιέχουν τα στοιχεία αυτά. 12

13 Συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων σε πετρώματα (ppm) Στοιχείο Ανώτερος φλοιός Γρανίτης, γρανοδιορίτης Γάββρος, βασάλτης Υπερβασικά πετρώματα Ψαμμίτης Σχιστόλιθος Ασβεστόλιθος As Cd < Co Cr Cu Mn Ni Pb Zn (Alloway, 2013) Πυριγενή πετρώματα: Cu, Mn και Zn γάββρους Co, Cr, Ni περιδοτίτες, σερπεντινίτες Οι ψαμμίτες χαρακτηρίζονται από τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις ιχνοστοιχείων 13

14 Κύρια ορυκτά που απαντούν σε εδάφη Α) Πρωτογενή ορυκτά (π.χ. χαλαζίας, άστριοι, μαρμαρυγίες, αμφίβολοι, πυρόξενοι, ολιβίνης, επίδοτο) Β) Δευτερογενή ορυκτά (αργιλικά ορυκτά, οξείδια σιδήρου και αργιλίου) Ανθεκτικότητα ορυκτών στην αποσάθρωση (οι θερμοκρασίες δεν ισχύουν για τα μη πυριτικά ορυκτά) 14

15 Σχέση κοκκομετρίας και ορυκτών σε εδάφη

16 Σχέση των ορυκτών που περιέχονται στα εδάφη με την αποσάθρωση Πρώιμα στάδια αποσάθρωσης Γύψος, ανθρακικά ορυκτά, ολιβίνης, πυρόξενοι, αμφίβολοι, άστριοι Χαμηλό περιεχόμενο σε νερό και οργανικό υλικό, περιορισμένη έκπλυση, μικρή χρονική διάρκεια αποσάθρωσης Ξηρές ή ψυχρές περιοχές, φτωχά αποσαθρωμένα εδάφη Ενδιάμεσα στάδια αποσάθρωσης Χαλαζίας, μαρμαρυγίες, ιλλίτης, χλωρίτης, σμεκτίτης Καολινίτης, γιψίτης, οξείδια σιδήρου Διατήρηση Na, K, Ca, Mg, Fe (II) και Si Προχωρημένα στάδια αποσάθρωσης Απομάκρυνση Na, K, Ca, Mg, Fe (II) και Si, έντονη έκπλυση, οξείδωση Fe (II) Εδάφη σε εύκρατα κλίματα, συνάθροιση humus και αργιλικών ορυκτών, καλά αναπτυγμένοι έδαφικοί ορίζοντες Εδάφη σε περιοχές με υψηλή θερμοκρασία και μεγάλες ποσότητες ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων, απουσία Ca, K, Na, Mg 16

17 (1) Ρυθμοί αποσάθρωσης Ο ρυθμός αποσάθρωσης ενός ορυκτού μπορεί να προσδιοριστεί λαμβάνοντας υπόψη το χρόνο που χρειάζεται να διαλυθεί σφαίρα διαμέτρου 1 mm του ορυκτού σε ένα αραιό διάλυμα σε ph 5. Ρυθμοί αποσάθρωσης ορισμένων ορυκτών Mineral Composition Time (yr) Dissol. Rate (mol/m 2 /s) Quartz SiO 2 34 x x Kaolinite Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 6 x x K-feldspar KAlSi 3 O x x Muscovite KAl 2 Si 3 AlO 10 (OH) x x Albite NaAlSi 3 O x x Diopside CaMgSi 2 O x x Anorthite CaAl 2 Si 2 O 8 80 x x Enstatite MgSiO 3 16 x x Tremolite Ca 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 10 x x Forsterite Mg 2 SiO 4 2 x x Dolomite CaMg(CO3) x 10-7 Calcite CaCO x

18 (2) Chemical index of alteration Ο βαθμός της χημικής αποσάθρωσης μπορεί να εκτιμηθεί ποσοτικοποιώντας τις μεταβολές στη χημική σύσταση του εδάφους που έχουν λάβει χώρα από την έναρξη της αποσάθρωσης CAI (chemical alteration index)= 100 * Al 2 O 3 / Al 2 O 3 + CaO + Na 2 O + K 2 O (ολικές συγκεντρώσεις των οξειδίων στο έδαφος, συγκεντρώσεις % ) Ο χημικός δείκτης εξαλλοίωσης θα αυξάνει με την αύξηση της έκπλυσης και κατά συνέπεια με την αύξηση του βαθμού αποσάθρωσης. Άλλοι δείκτες έχουν αναπτυχθεί λαμβάνοντας υπόψη τις σχέσεις Na 2 O + MgO + CaO /Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 + TiO 2 ή K 2 O + Na 2 O + MgO + CaO / Al 2 O 3 18

19 Ποσοτικοποίηση κινητικότητας των στοιχείων με προφίλ βάθους κανονικοποιημένης συγκέντρωσης ως προς δυσκίνητα στοιχεία (π.χ. Ti) j C C j, w j, p C C i, p i, w 1 i= Δυσκίνητο στοιχείο j= Ευκίνητο στοιχείο w= Αποσαθρωμένος μανδύας p= Μητρικό πέτρωμα C = συγκέντρωση (mol/m 3 ) τ j = -1 (complete depletion) τ j = 0 (no change) τ j >0 addition from an outside source Βrantley et al., 2007, Elements 19

20 απεμπλουτισμός εμπλουτισμός Στενή σχέση του Cu το οργανικό υλικό Αποσύνθεση φυτών εμπλουτίζει το έδαφος με C ή υπάρχει εξωγενής παράγοντας που προκαλεί εμπλουτισμό του στοιχείου (Mn) στο επιφανειακό έδαφος Χαμηλές τιμές ph ευνοούν την κινητοποίηση Al Πρόσληψη K από τα φυτά Σχηματισμός οξειδίων Al Διάλυση K-αστρίου 20

21 Χημικές μεταβολές κατά μήκος ενός τυπικού εδαφικού προφίλ σε περιοχές εμφάνισης υπερβασικών πετρωμάτων C B = Συγκέντρωση στοιχείου στον μανδύα αποσάθρωσης C A = Συγκέντρωση στοιχείου στο μητρικό πέτρωμα Caillaud et al. 2009, Geoderma Major elements (wt.% oxides) Trace metals (mg/kg) Depth(cm) SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO Ni Cr Mn Rock > Earth' crust

22 Γεωχημική χαρτογράφηση αγροτικών εδαφών της Ευρώπης 33 Ευρωπαϊκές χώρες 2100 αγροτικά δείγματα (1 δείγμα ανά 2500 km 2 ) από τα οποία 53 δείγματα ήταν από τον ελληνικό χώρο. Συμμετοχή πολλών ειδικοτήτων: γεωλόγοι, γεωχημικοί, χημικοί, στατιστικολόγοι από Πανεπιστήμια, Γεωλογικές Υπηρεσίες, Υπουργεία των Ευρωπαϊκών χωρών Χάρτης δειγματοληψίας αγροτικών εδαφών 22

23 Γεωχημικοί χάρτες κατανομής Cr και As στα αγροτικά εδάφη της Ευρώπης Οι φυσικές γεωλογικές διεργασίες καθορίζουν τη γεωχημεία του εδάφους. Η σαφής διαφορά στα επίπεδα των συγκεντρώσεων μεταξύ της Βόρειας και της Νότιας Ευρώπης συνδέεται με το νοτιότερο όριο της τελευταίας παγετώδους περιόδου. 21