29. Η γεωλογία των ορυκτών ανθράκων ή γαιανθράκων Ύλη των γαιανθράκων Είδη γαιανθράκων

Transcript

1 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία 29. Η γεωλογία των ορυκτών ανθράκων ή γαιανθράκων 29.1 Ύλη των γαιανθράκων Είδη γαιανθράκων Οι γαιάνθρακες είναι στερεά, καύσιμα και φυσικά ιζηματογενή πετρώματα, κατά κανόνα φυτικής προέλευσης, τα οποία από τη στιγμή της δημιουργίας τους και στη διάρκεια των γεωλογικών χρόνων έχουν υποστεί μεταβολές (διεργασίες ενανθράκωσης), οι οποίες οδήγησαν στον εμπλουτισμό τους σε στοιχειακό άνθρακα. Από τη σκοπιά του μεταλλευτικού δικαίου οι γαιάνθρακες και οι υπόλοιπες ενεργειακές πρώτες ύλες αποτελούν μία εξαίρεση μεταξύ των κοιτασμάτων, καθώς ανήκουν στο κράτος και για την εκμετάλλευσή τους απαιτείται ειδική άδεια από τις αρμόδιες αρχές. Τα υπόλοιπα μεταλλεύματα ανήκουν στον ιδιοκτήτη της περιοχής στην οποία εντοπίζονται. Ο όρος «γαιάνθρακας» διαχωρίζεται ξεκάθαρα από τον όρο «τύρφη», καθώς οι γαιάνθρακες είναι σχηματισμοί που δημιουργήθηκαν στο γεωλογικό παρελθόν, ενώ η τύρφη είναι ένας σύγχρονος σχηματισμός που δεν έχει υποστεί τις απαιτούμενες διεργασίες και διατηρεί ακόμη μεγάλες ποσότητες νερού. Για το σαφή καθορισμό της έννοιας γαιάνθρακας πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο όρος «καύσιμη ουσία», η οποία στους γαιάνθρακες πρέπει να ξεπερνάει το 50%. Υπάρχουν ανθρακούχα ή βιτουμενούχα ιζήματα τα οποία χρησιμοποιούνται στην παραγωγή κεραμικών δομικών υλικών και μάλιστα αυταναφλέγονται κάποιες φορές στους χώρους απόθεσής τους. Ωστόσο δεν μπορούν να χαρακτηριστούν ως γαιάνθρακες και συνεπώς ανήκουν στους ιδιοκτήτες τους. Βέβαια σε εξαιρετικές περιπτώσεις υπάρχουν εκμεταλλεύσιμοι άνθρακες με περιεκτικότητα σε τέφρα μεγαλύτερη από 40%. Είναι αντικείμενο των μεθόδων εμπλουτισμού να αλλάξουν αυτά τα όρια. Η διάκριση μεταξύ λιγνίτη και λιθάνθρακα έγινε αρχικά σε γερμανόφωνες περιοχές. Στην εκτός των Άλπεων κεντρική Ευρώπη, τα δύο παραπάνω είδη γαιανθράκων διακρίνονται μεταξύ τους βάσει κριτηρίων, όπως η γεωλογική ηλικία, η εμφάνιση και η τεχνολογική τους χρήση. Έτσι οι παλιοί γαιάνθρακες, π.χ. του παλαιοζωικού χαρακτηρίζονται λιθάνθρακες, ενώ οι νέοι γαιάνθρακες του τριτογενούς χαρακτηρίζονται λιγνίτες. Σε άλλες περιοχές της γης λαμβάνονται υπόψη και παλαιοντολογικά δεδομένα για το χαρακτηρισμό των γαιανθράκων. Σήμερα χρησιμοποιούνται κατά κανόνα (δεν είναι παγκοσμίως αποδεκτά) τα εξής τρία κριτήρια διάκρισης μεταξύ λιγνιτών και γαιανθράκων (πίν. 29.1): α) η γραμμή σκόνης, β) η αντίδραση των χουμικών οξέων με ΚΟΗ και γ) η αντίδραση λιγνίνης με ΗΝΟ

2 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Υπάρχουν βέβαια και εξαιρέσεις, όπως ο λιθάνθρακας Arsakohle της χερσονήσου Ίστρια της Αδριατικής, ο οποίος εμφανίζει γραμμή σκόνης καστανού χρώματος και ο λιγνίτης του Leoben με μαύρη γραμμή σκόνης. Κατά την αντίδραση χουμικών οξέων με ΚΟΗ βράζεται κονιοποιημένος λιγνίτης για μερικά λεπτά με αραιό αλκαλικό διάλυμα ΚΟΗ. Σχηματίζονται βαθυκάστανες χουμικές ενώσεις καλίου. Για την αντίδραση της λιγνίνης με ΗΝΟ 3 βράζεται διάλυμα ΗΝΟ 3 με νερό σε αναλογία 1:9 με λιγνίτη ή λιθάνθρακα. Κατά το βρασμό οι λιγνίτες αφρίζουν έντονα με ταυτόχρονο σχηματισμό καστανών ατμών ΝΟ 2. Το διάλυμα που παραμένει έχει κοκκινωπό έως πορτοκαλί χρώμα. Κατά την αντίδραση με λιθάνθρακες δεν σχηματίζεται αφρός και το διάλυμα μετά το βρασμό είναι άχρωμο ή λαμβάνει ανοικτοπράσινες ή κρασοπράσινες αποχρώσεις. Γραμμή σκόνης Αντίδραση χουμικών οξέων με ΚΟΗ Αντίδραση λιγνίνης με ΗΝΟ 3 Λιγνίτης Καστανό Καστανό Πορτοκαλί, κοκκινωπό Λιθάνθρακας Μαύρο άχρωμο Κρασοκίτρινο, πρασινωπό, άχρωμο, όχι κοκκινωπό Πίνακας 29.1: Κύρια χαρακτηριστικά διάκρισης μεταξύ λιγνιτών και λιθανθράκων Οι λιγνίτες κατατάσσονται βάσει της περιεκτικότητάς τους σε νερό, η οποία καθορίζει επίσης το βαθμό συνεκτικότητας και το χρώμα τους. Οι λιθάνθρακες ταξινομούνται βάσει της περιεκτικότητάς τους σε ελαφροπτητικά συστατικά, δηλαδή εύφλεκτες ουσίες οι οποίες σχηματίζονται κατά την αναερόβια θερμική επεξεργασία τους. Ανάλογα με την πρόοδο αυτών των μεταβολών, που εκφράζεται από τον βαθμό ενανθράκωσης, διακρίνονται οι γαιάνθρακες σε διάφορα είδη, τα οποία κατά σειρά αυξανόμενου βαθμού ενανθράκωσης είναι: η τύρφη ο λιγνίτης ο λιθάνθρακας ο ανθρακίτης (μετά από μεταμόρφωση) ο γραφίτης, ο οποίος δεν καίγεται, επομένως δεν είναι ενεργειακή πρώτη ύλη α) Λιγνίτης Ο λιγνίτης σχηματίζεται από την τύρφη στα πρώτα στάδια της διεργασίας ενανθράκωσης. Η φυσική υγρασία του λιγνίτη κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 10-75%. Η περιεκτικότητά του σε στοιχειακό άνθρακα 29.2

3 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία είναι 60-77% και σε πτητικά συστατικά 45-63% περίπου (οι τιμές αναφέρονται σε ελεύθερο υγρασίας και τέφρας λιγνίτη). Η θερμογόνος δύναμη του λιγνίτη (ελεύθερου τέφρας) κυμαίνεται από kcal/kg ή kj/kg. Ανάλογα με τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά τους οι λιγνίτες διακρίνονται σε μαλακούς και σκληρούς: Μαλακοί λιγνίτες Οι μαλακοί λιγνίτες αποτελούν την αμέσως επόμενη φάση της τύρφης στην κλίμακα της ενανθράκωσης. Τέμνονται με μαχαίρι ή λεπίδα, έχουν κιτρινοκάστανο έως καστανό χρώμα και διακρίνονται σε «γεώδεις» και «κατακλαστικούς». Οι γεώδεις λιγνίτες (εικ. 29.1) απαντούν πάντα σε παχιά στρώματα, είναι μαλακοί, δεν εμφανίζουν κατακλάσεις και εξορύσσονται μαζικά συνήθως με χρήση καδοφόρων εκσκαφέων (εικ. 29.2). Συχνά φιλοξενούν κομμάτια κορμών δένδρων ή καστανού ξύλου. Όταν παραμείνουν για παρατεταμένο χρονικό διάστημα σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα ξηραίνονται και τρίβονται εύκολα. Τα μεγαλύτερα κοιτάσματα της Ευρώπης βρίσκονται στη Γερμανία, τη Σερβία, την Ελλάδα και την Τουρκία. Τεράστια κοιτάσματα απαντούν επίσης στις Η.Π.Α., την Κίνα και την Αυστραλία. Τα κοιτάσματα βρίσκονται πάντα σε μικρό βάθος, σε επίπεδα στρώματα μέσα σε χαλαρά ιζήματα. Οι κατακλαστικοί λιγνίτες τεμαχίζονται σε μεγάλα κομμάτια. Κατακλάσεις εμφανίζονται τμηματικά και είναι ασαφείς, ενώ περιέχουν και ενδιάσπαρτα τεμάχια κορμών και ξύλων. Η παρατεταμένη επαφή με τον αέρα δημιουργεί έντονες ρωγμές, οι οποίες επιφέρουν τελικά την απώλεια της υπάρχουσας συνεκτικότητας. Τα κοιτάσματα βρίσκονται σε επίπεδα στρώματα, ελαφρώς πτυχωμένα, εντός χαλαρών πετρωμάτων, ενίοτε και σε μεγάλα βάθη. Σημαντικά κοιτάσματα απαντούν στην Αυστρία, τη Σλοβενία, την Ουγγαρία και τη Βουλγαρία. Σκληροί λιγνίτες Οι σκληροί λιγνίτες δεν τέμνονται με μαχαίρι ή λεπίδα και διακρίνονται σε «θαμπούς ή αλαμπείς» και «στιλπνούς». Οι θαμποί λιγνίτες έχουν καστανόμαυρο χρώμα και είναι πυκνοί. Τα ελάχιστα φυτικά υπολείμματα που περιέχουν εμφανίζονται σε μορφή στενών λωρίδων με λάμψη ή ως πυκνό μαύρο ξύλο. Τεμαχίζονται εύκολα κατά μήκος των κατακλάσεων και της στρώσης σε μικρά ανώμαλα έως κυβικά τεμαχίδια. Κατά την ξήρανση δημιουργούνται μικρές ρωγμές, χωρίς ωστόσο να χάνεται η συνοχή. Κοιτάσματα υπάρχουν στη Βοημία, την Αυστρία, την Ουγγαρία και τη Ρωσία. Οι στιλπνοί λιγνίτες είναι μαύροι και σκληροί ορυκτοί άνθρακες με οστρακοειδή (κογχώδη) θραυσμό και έντονη λάμψη στις επιφάνειες 29.3

4 29. Γεωλογία Γαιανθράκων τους. Εμφανίζουν έντονες διακλάσεις, ενώ αποκτούν επιπλέον ρωγμές όταν αποθηκευτούν για μακρό χρονικό διάστημα, χωρίς ωστόσο να χάνουν τη συνεκτικότητά τους. Τα κοιτάσματα απαντούν κατά κανόνα σε χαλαρά έως ελαφρώς συνεκτικοποιημένα, συνήθως πτυχωμένα πετρώματα, ακόμη και σε μεγάλα βάθη (1300 m). Ανεξάρτητα από την παραπάνω σύγχρονη ονοματολογία, ορισμένα είδη λιγνιτών διατηρούν την παλαιότερη ονομασία τους και αξίζουν ιδιαίτερης μνείας. Πρόκειται για τον ξυλίτη, τον πισσάνθρακα και τον γαγάτη. Ο ξυλίτης (εικ. 29.3) είναι λιγνίτης που προέρχεται από ξυλώδεις ιστούς (κορμούς δέντρων, κλαδιά, κούτσουρα). Ο ιστός έχει διατηρηθεί και είναι ορατός μακροσκοπικά. Στη σύγχρονη ονοματολογία αναφέρεται ως λιθότυπος (ξυλιτικός) του λιγνίτη. Ο πισσάνθρακας είναι ανώτερης ποιότητας λιγνίτης, που περιέχει σχετικά μεγάλη περιεκτικότητα σε βιτουμενιούχα συστατικά. Είναι μαύρος, γυαλιστερός και έχει κογχώδη θραυσμό. Σήμερα ο όρος δε χρησιμοποιείται πλέον. Ο γαγάτης είναι ένας βιτουμενούχος λιγνίτης με μαύρο χρώμα και έντονη λάμψη. Καθίσταται ομοιογενής και σκληρός όταν λειαίνεται. Στο μικροσκόπιο παρουσιάζει ξυλώδη ιστό. Επιδέχεται επεξεργασία για την κατασκευή κομψοτεχνημάτων. Περίφημες από τους προρωμαϊκούς ακόμα χρόνους είναι οι εμφανίσεις γαγάτη στο Yorkshire της Αγγλίας, όπου σήμερα ανθεί σημαντική βιοτεχνία κατασκευής κομψοτεχνημάτων και κοσμημάτων. Η ετυμολογία της λέξης είναι ελληνική και προέρχεται από την αρχαία πόλη Γαγαία της Λυκίας (Μ. Ασία). β) Λιθάνθρακας Ο λιθάνθρακας είναι ένα μαύρο, σκληρό και στερεό ιζηματογενές πέτρωμα, το οποίο σχηματίζεται κατά την προχωρημένη ενανθράκωση φυτικής ύλης και περιέχει περισσότερο από 50% στοιχειακό άνθρακα. Πρόκειται δηλαδή για έναν ομαδικό χαρακτηρισμό ορυκτών ανθράκων υψηλής θερμογόνου δύναμης. Είναι ένα συμβατικό ορυκτό καύσιμο που χρησιμοποιείται στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος και τη μεταλλουργία. Οι επιμέρους τύποι των λιθανθράκων δε διακρίνονται μεταξύ τους δια γυμνού οφθαλμού. Η λάμψη και η σκληρότητά τους αυξάνεται με αυξανόμενο βαθμό ενανθράκωσης (ωριμότητα). Ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε ελαφροπτητικά συστατικά (αέρια) οι λιθάνθρακες διακρίνονται ως εξής (πίν. 29.2): Τα περισσότερα κοιτάσματα λιθανθράκων περιέχουν τους τύπους φλογολιθάνθρακα έως λιπώδη λιθάνθρακα. Ημιανθρακίτης και ανθρακίτης εμφανίζονται σπανιότερα. Ο ημιπισσούχος λιθάνθρακας ή φλογολιθάνθρακας (Flammkohle) εμφανίζει πάντα καλή στρώση και λαμπερές ρίγες. Στις 29.4

5 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία διαχωριστικές επιφάνειες μπορεί κανείς να παρατηρήσει τρίματα φουσίτη. Τα στρώματα εμφανίζουν έντονη ρηγμάτωση και αποκόβονται σε μεγάλα κομμάτια. Κατά την καύση του παράγεται μεγάλη φωτεινή φλόγα. Η περιεκτικότητά του σε πτητικά συστατικά κυμαίνεται από 37-45%. ΕΛΛΑΔΑ Η.Π.Α. ΓΕΡΜΑΝΙΑ Τύρφη Peat Torf % ΠΤΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ % C Λιγνίτης - Ξυλίτης Lignite Weichbraunkohle Hartbraunkohle Σκληρός, θαμπός, στιλπνός Λιγνίτης Lignite/Subbituminous coal Sub-bituminous coal Mattbraunkohle Glanzbraunkohle Υμιπισσούχος λιθάνθρακας Sub-bituminous coal/medium volatile bitumiuous coal Flammkohle Medium volatile bitumiuous coal Gasflammkohle Πισσούχος Λιθάνθρακας Medium volatile bitumiuous coal Gaskohle Ημιπισσούχος Άνθρακας Medium volatile bitumiuous coal Fettkohle Ημιανθρακίτης Low volatile bitumiuous coal Esskohle Semi-Anthracite Magerkohle Ανθρακίτης Anthracite Anthrazit 4-10 >91.5 Πίνακας 29.2: Ταξινόμηση ενεργειακών ορυκτών ανθράκων (γαιανθράκων). Ο πισσούχος λιθάνθρακας ή φωτολιθάνθρακας (Gaskohle) εμφανίζει πιο λεπτές ρίγες από τον φλογολιθάνθρακα και εντονότερη λάμψη στις επιφάνειες θραυσμού. Δίδει επιμήκη φωτεινή φλόγα και περιέχει 27-37% πτητικά συστατικά. Ο ημιπισσούχος άνθρακας ή λιπώδης λιθάνθρακας (Fettkohle) (εικ 29.4) είναι πιο εύθραυστος από τον φωτολιθάνθρακα, καθώς είναι εντονότερα τεκτονισμένος. Λόγω της εύκολης κοκκοποίησής του αποτελεί το σημαντικότερο λιθάνθρακα. Θερμαινόμενος τήκεται και 29.5

6 29. Γεωλογία Γαιανθράκων αφήνει ένα στερεό υπόλειμμα ασημί-γκρίζου χρώματος. Η περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά κυμαίνεται από 17-27%. Ο ημιανθρακίτης (Magerkohle και Esskohle) είναι σκληρότερος και πιο λαμπερός από τους προηγούμενους λιθάνθρακες. Δεν διακρίνονται πλέον θαμπά και λαμπερά σημεία. Καίγεται με μικρή φλόγα. Πτητικά συστατικά 10-17%. Ο ανθρακίτης (εικ. 29.5, 29.6) είναι η πολυτιμότερη μορφή λιθάνθρακα. Βρίσκεται εντός ελαφρώς μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Έχει έντονη λάμψη και τη μεγαλύτερη σκληρότητα μεταξύ των λιθανθράκων. Καίγεται με μικρή φλόγα χωρίς καπνό. Η περιεκτικότητα του ανθρακίτη σε πτητικά συστατικά κυμαίνεται από 4 έως 10%. γ) Ιδιαίτερες μορφές γαιανθράκων Οι παραπάνω αναφερθείσες παραλλαγές ορυκτών ανθράκων προήλθαν από τύρφη και κατατάσσονται στη μεγάλη κατηγορία των χουμικών ανθράκων. Παράλληλα με τους χουμικούς άνθρακες σχηματίστηκαν και σαπροπηλικοί άνθρακες, οι οποίοι έχουν ως μητρική ύλη φύκια και γύρη. Σε αυτούς ανήκουν: Ο κηράνθρακας (Cannelkohle, Candle coal). Ένας εύφλεκτος γαιάνθρακας ο οποίος μετά την ανάφλεξή του συνεχίζει να καίγεται όπως το κερί. Οι κηράνθρακες απαντούν σε στρώσεις στα ανώτερα στρώματα των χουμικών ανθράκων ή σε αυτόνομα κοιτάσματα. Έχουν μαύρο χρώμα, είναι θαμποί με οστρακώδη θραυσμό και σχηματίζουν παχιές πλάκες. Όταν απαντούν μαζί με άλλους κοκκοποιήσιμους λιθάνθρακες (χαμηλότερων βαθμών ενανθράκωσης από ημιανθρακίτη) δεν κοκκοποιούνται, λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε πτητικά συστατικά. Αντίθετα κοκκοποιούνται όταν απαντούν με ημιανθρακίτες και ανθρακίτες. Εξαιτίας της υψηλής περιεκτικότητάς του σε πτητικά συστατικά χρησιμοποιούνταν παλαιότερα στην παραγωγή φωταερίου. Λόγω της μεγάλης συνεκτικότητας και ομοιογένειάς του, σκαλίζεται, τροχίζεται και λειαίνεται με σκοπό την κατασκευή διάφορων χρήσιμων σκευών, γλυπτών, διακοσμητικών και κοσμημάτων. Ο τορβανίτης ή άνθρακας του Boghead σχηματίζεται από αποικίες φυκιών. Είναι πιο λεπτοσχιστοποιημένος από τον κηράνθρακα και εμφανίζεται σε αυτόνομα στρώματα. Αποτελεί μια παραλλαγή ενός λεπτόκοκκου ελαιοσχιστόλιθου και απαντά σε φακοειδή σώματα λιμναίας προέλευσης. Το γνωστότερο κοίτασμα βρίσκεται στο Boghead της Σκοτίας. Άλλες εμφανίσεις απαντούν στην Pennsylvania και το Illinois (Η.Π.Α.), το Transvaal (Ν. Αφρική), το Sidney Basin και το New South Wales (Αυστραλία) και το Nova Scotia (Καναδάς). Ο φυλλάνθρακας ή χαρτάνθρακας ή Dysodil (εικ.29.15) είναι ο αντίστοιχος λιγνίτης του κηράνθρακα. Αποτελείται από πολύ λεπτά, εύκαμπτα δερματοειδή και εύκολα διαχωριζόμενα φύλλα, κίτρινου, 29.6

7 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία καστανού ή μαύρου χρώματος. Αποτελείται κυρίως από βιτούμενα, διάτομα, άνθη και φύκια, ενώ συχνά περιέχει απολιθώματα. Η γνωστότερη εμφάνιση απαντά στο Darmstadt της Γερμανίας και υπέρκειται ενός κοιτάσματος μαλακού λιγνίτη. Εικ. 29.1: Λιγνίτης, (Klingenberg Berlin, Prissantenbär). Εικ. 29.2: Επιφανειακή εξόρυξη λιγνίτη (Πτολεμαΐδα). Οι Λιπτοβιόλιθοι αποτελούνται από μεμβράνες φύλλων, σκόνες λουλουδιών, μάζες κεριού και φυσικές ρητίνες, όπως κεχριμπάρι ή πυροπισσίτης. Είναι δηλαδή φυτικά συστατικά που δεν διασπόνται εύκολα. Περιέχουν επίσης ορυκτά έλαια και παραφίνη. 29.7

8 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Οι αλατάνθρακες είναι γαιάνθρακες που εμποτίστηκαν με NaCl από αλατούχα διαλύματα. Συνήθως εντοπίζονται πλησίον κοιτασμάτων αλάτων του περμίου. Εικ. 29.3: Ξυλίτης (Elbwestfale, Γερμανία). Εικ. 29.4: Λιθάνθρακας (Bergbau Museum, Bochum, Germany, Saupreiß). 29.8

9 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Εικ. 29.5: Ανθρακίτης, Ibbenbüren, Germany, (Educerva). Εικ. 29.6: Ανθρακίτης, 4.4cm, Bay City, Michigan, USA (John Mortimore). 29.9

10 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Εικ, 29.7: Τάση κατανάλωσης γαιανθράκων των 5 μεγαλύτερων καταναλωτριών χωρών. Εικ. 29.8: Παγκόσμιος χάρτης παραγωγής γαιανθράκων 29.10

11 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Η Πετρογραφία των γαιανθράκων α) Λιθότυπος και μικρολιθότυπος των γαιανθράκων Ο λιθότυπος και ο μικρολιθότυπος των γαιανθράκων καθορίζεται με βάση τη μακροσκοπική παρατήρηση της διάταξης των «Macerals» σε ένα δείγμα. Τα Macerals είναι τα οργανικά πετρογενετικά δομικά συστατικά των γαιανθράκων, αντίστοιχα με τα ορυκτά των πετρωμάτων. Αποτελούνται από φυτικά υπολείμματα, τα οποία υπό την πίεση των υπερκείμενων στρωμάτων, την αυξημένη θερμοκρασία και την επίδραση υγρών φάσεων έχουν υποστεί τις διεργασίες της διαγένεσης και μερική ενανθράκωση. Το καθένα εμφανίζει διαφορετικά χαρακτηριστικά, τα οποία όμως ομογενοποιούνται με την πρόοδο της ενανθράκωσης. Έτσι αν παρατηρήσει κανείς ένα δείγμα λιθάνθρακα, θα εντοπίσει εναλλαγές λαμπερών και θαμπών δομικών συστατικών. Τα συστατικά με έντονη λάμψη ονομάζονται βιτρίτης, ενώ τα αλαμπή ντουρίτης. Άλλα δομικά συστατικά των λιθανθράκων είναι ο ημιλαμπής κλαρίτης και ο ινώδης φουσίτης. Σε μαλακούς λιγνίτες εντοπίζονται συχνά μεγάλα κομμάτια καστανού ξύλου, τα οποία ονομάζονται ξυλίτης. Ο βιτρίτης είναι ένας βιτρινιτικός χουμικός άνθρακας, πιο άκαμπτος από τον πιο σχιστοποιημένο και σκληρό ντουρίτη, και εμφανίζει περισσότερες διακλάσεις και οστρακώδη θραυσμό. Ο ντουρίτης περιέχει λιπτινιτικά χουμικά συστατικά. Ο κλαρίτης αποτελεί ένα μίγμα βιτρίτη και ντουρίτη, στο οποίο εναλλάσσονται σε μικρή απόσταση λάμπουσες και θαμπές λεπτές στρώσεις. Τέλος ο ινώδης φουσίτης είναι μαλακότερος, βάφει τα χέρια, αποτελείται σε μεγάλο ποσοστό από φουσινίτη και πιθανότατα παράγεται από δασικές πυρκαγιές. Οι παραπάνω διαπιστώσεις αποτελούν προϊόντα μακροσκοπικής παρατήρησης των γαιανθράκων. Η μικροσκοπική παρατήρηση δειγμάτων προσφέρει ωστόσο περισσότερες και λεπτομερέστερες ποιοτικές και ποσοτικές πληροφορίες. Έτσι διαπιστώνεται ότι ο βιτρίτης προέρχεται από υπολείμματα καθαρού ξύλου και ο ντουρίτης από κατάλοιπα μεμβρανών φύλλων, σπόρους και κόκκους ρητινών. Ο φουσίτης εμφανίζει κυτταρική δομή ξύλου και παραπέμπει σε ξυλίτη. Μέσα στους γαιάνθρακες απαντά επίσης και έντονα λάμπουσα άμορφη ύλη, η οποία ονομάζεται κολλινίτης και σχηματίζεται από ζελώδεις ουσίες και χουμάνθρακες. Πρόκειται για ένα συστατικό της τύρφης με την ονομασία Ντοππλερίτης. Τα διαφορετικά μητρικά υλικά προκαλούν και διαφορετική χημική σύσταση στα επιμέρους macerals. Έτσι σε ότι αφορά τα πτητικά συστατικά, ο ντουρίτης είναι πλουσιότερος από τον βιτρίτη και ο φουσίτης είναι φτωχότερος όλων

12 29. Γεωλογία Γαιανθράκων β) Τα δομικά στοιχεία (macerals) των ανθράκων Η μικροσκοπική παρατήρηση των λιθότυπων έδειξε ότι αυτοί αποτελούνται από διαφορετικά φυτικά μητρικά υλικά. Τα λιγνιτικά δείγματα παρατηρούνται στο μικροσκόπιο διερχόμενου φωτισμού με τη χρήση λεπτών τομών, ενώ οι λεπτές δομές των λιθανθράκων μελετώνται με τη βοήθεια στιλπνών τομών στο μεταλλογραφικό μικροσκόπιο (ανακλώμενου φωτισμού). Τα δομικά συστατικά (macerals) των γαιανθράκων γίνονται αναγνωρίσιμα σε μεγέθυνση 25-50Χ. Μετά από πολυποίκιλες παραλλαγές για την ονοματολογία των macerals, σήμερα αυτά ονομάζονται με λέξεις οι οποίες αποτελούνται από κάποια ρίζα και την κατάληξη ινίτης. Έτσι τα macerals των λιγνιτών και των λιθανθράκων διακρίνονται σε τρεις (3) κύριες ομάδες: Ομάδα χουμινίτη/βιτρινίτη Ομάδα ινερτινίτη Ομάδα λιπτινίτη/εξινίτη Στον Πίνακα 5 φαίνεται ο διαχωρισμός των διαφόρων maceral στις τρεις κύριες ομάδες και στις υποομάδες τους. Ο διαχωρισμός αυτός γίνεται με βάση το χρώμα, την ανακλαστικότητα, τη μορφολογία και το σχήμα τους. Η ομάδα του Χουμινίτη αποτελείται από macerals, που έχουν γκρι χρώμα, ανακλαστικότητα ενδιάμεση των macerals των ομάδων του Λιπτινίτη και του Ινερτινίτη και συνίσταται από τρεις υποομάδες macerals, τους τελοχουμινίτες, τους ντετροχουμινίτες και τους γελοχουμινίτες. Τα μέλη αυτής της ομάδας προέρχονται από τα χουμικά συστατικά, που αποτελούν προϊόντα της αποδόμησης των πλούσιων σε άζωτο οργανικών ουσιών των φυτών (κυτταρίνη, λιγνίνη, πρωτεΐνες), κυρίως μέσω της δράσης μικροοργανισμών. Από πλευράς χημικής σύστασης είναι σχετικά πλούσιοι σε οξυγόνο και φτωχοί σε άνθρακα σε σχέση με τις άλλες δύο ομάδες macerals. Τα macerals της ομάδας του Χουμινίτη διακρίνονται σε τρεις υποομάδες ανάλογα με την προέλευσή τους: Η πρώτη είναι η ομάδα του τελοχουμινίτη και περιλαμβάνει τα macerals τεξτινίτη, τεξτοουλμινίτη και ευουλμινίτη. Κοινό χαρακτηριστικό των macerals αυτής της υποομάδας είναι ότι εμφανίζουν καλά διατηρημένες κυτταρικές δομές. Η δεύτερη υποομάδα είναι αυτή του ντετροχουμινίτη και περιλαμβάνει τα macerals του αττρινίτη και του ντενζινίτη, που προέρχονται από θραύσματα εύκολα αποσυντιθέμενων φυτικών υπολειμμάτων, τα οποία έχουν χαμηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη και υψηλή σε κυτταρίνη και κατά κανόνα προέρχονται από ποώδη φυτά ή από ξυλώδη τμήματα αγγειοσπέρμων

13 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Η τρίτη και τελευταία υποομάδα των Xουμινιτών είναι αυτή του γελοχουμινίτη, στην οποία υπάγονται δύο macerals, ο γελινίτης και ο κορποχουμινίτης. Τα macerals αυτής της ομάδας προέρχονται από χουμικά κολλοειδή από την αποδόμηση του οργανικού υλικού και από κυτταρικές εκκρίσεις. Σε γαιάνθρακες ωριμότερους από το στάδιο του λιγνίτη, η ομάδα του Χουμινίτη που παρατηρείται στους λιγνίτες μεταπίπτει σε αυτήν του Βιτρινίτη (εικ ), που αποτελείται με τη σειρά της από τρεις υποομάδες, του τελοβιτρινίτη (αντίστοιχη του τελοχουμινίτη), του ντετροβιτρινίτη (αντίστοιχη του ντετροχουμινίτη) και του γελοβιτρινίτη (αντίστοιχη του γελοχουμινίτη). Ο βιτρινίτης εμφανίζει έντονη λάμψη και δομή κυτταρίνης, η οποία γίνεται εμφανής μόνο μετά από λεπτομερή παρατήρηση και εγχάραξη των δειγμάτων. Σε αυτήν την περίπτωση ονομάζεται τελινίτης (εικ ). Ο πραγματικά άμορφος βιτρινίτης σχηματίζεται από χουμική ύλη η οποία έχει μετατραπεί πλήρως σε ζελέ και ονομάζεται κολλινίτης (εικ ). Ο βιτρινίτης είναι το καθαρότερο και πιο ομογενές συστατικό των λιθανθράκων και γι αυτό το λόγο χρησιμοποιείται ως ευαίσθητος βαθμονομητής της διεργασίας ενανθράκωσης. Ο ινερτινίτης περιλαμβάνει εκείνα τα δομικά συστατικά που κατά την ενανθράκωση δεν αντιδρούν χημικά ούτε τήκονται. Τα macerals της ομάδας του Ινερτινίτη προέρχονται από τα ίδια υλικά, που παράγουν τον Χουμινίτη, με τη διαφορά ότι έχουν διέλθει από μία περίοδο έντονης ξήρανσης και οξείδωσης ποικίλης έντασης, που περιλαμβάνει την περίπτωση μερικής καύσης του συσσωρευμένου φυτικού υλικού, σε περιόδους που αυτό βρίσκεται πάνω από τον υδροφόρο ορίζοντα. Το κύριο χαρακτηριστικό των maceral αυτής της ομάδας είναι η υψηλότερη ανακλαστικότητα σε σχέση με τα maceral των ομάδων του Χουμινίτη και του Λιπτινίτη, ενώ αναφορικά με τη χημική τους σύσταση είναι πλούσια σε άνθρακα και φτωχότερα σε οξυγόνο και υδρογόνο σε σχέση με τις άλλες δύο ομάδες. Σύμφωνα με την ICCP (2001) την ομάδα του Ινερτινίτη αποτελούν macerals με κυτταρική δομή (φουσινίτης, ημιφουσινίτης, φουγκινίτης), macerals που στερούνται κυτταρικής δομής (σεκρετινίτης, μακρινίτης, μικρινίτης) και θραυσιγενή macerals (ινερτοντετρινίτης). Ο φουσινίτης (εικ , 29.13) είναι το πιο γνωστό macerals, ένα μεταξώδες γκρίζο υλικό, που στο μικροσκόπιο θυμίζει έντονα τον ξυλίτη, και μαζί με τον ημιφουσινίτη (εικ ) αντιπροσωπεύουν οξειδωμένα και μερικώς οξειδωμένα κυτταρικά τοιχώματα με κενούς ενδοκυτταρικούς χώρους αντίστοιχα. Οι πόροι τους γεμίζουν συχνά με σιδηροπυρίτη, κάτι που αποτελεί ιδιαίτερα αρνητικό παράγοντα για ενδεχόμενη παραγωγή koks. Ένα μέρος του φουσινίτη σχηματίστηκε από καμένη φυτική ύλη, όταν πιθανότατα εξαιτίας κάποιου κεραυνού προκλήθηκε πυρκαγιά στο δάσος

14 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Η υπόλοιπη ποσότητα είναι μάλλον προϊόν διάσπασης και αποσύνθεσης ξύλου. Ο φουγκινίτης προέρχεται από σπόρους μυκήτων ή από άλλα μέρη των οργανισμών τους. Ο σεκρετινίτης είναι προϊόν οξείδωσης ρητινών ή χουμικών γελών, ενώ ο μακρινίτης σχηματίζεται από την αφυδάτωση και οξείδωση χουμικών ουσιών ή είναι προϊόν μεταβολισμού μυκήτων και βακτηρίων. Τέλος ο μικρινίτης, που αποτελεί δευτερογενές maceral, σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της ενανθράκωσης από τα υπολείμματα ουσιών πλούσιων σε λιπαρές ενώσεις (Λιπτινίτης, πλούσιος σε υδρογόνο Χουμινίτης). Οι περισσότεροι Ινερτινίτες μεταβάλλονται ελάχιστα κατά τη διάρκεια της ενανθράκωσης, εξαιτίας του γεγονότος ότι είναι ήδη «προενανθρακωμένοι». Παρόλα αυτά κάποιες μικρές μεταβολές που παρατηρούνται, είναι οι μικρές απώλειες σε οξυγόνο και υδρογόνο με αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό τους σε άνθρακα και η αύξηση της ήδη ισχυρής ανακλαστικότητάς τους. Η ανακλαστικότητα του Ινερτινίτη είναι πάντοτε μεγαλύτερη αυτής του Χουμινίτη/Βιτρινίτη, εκτός από την περίπτωση των μετανθρακιτών. Τέλος μία ακόμη μορφή ινερτινίτη είναι ο σκληροτινίνης (εικ ), ο οποίος αποτελείται από σφαιρικά ή ελλειπτικά σωματίδια υψηλής ανάκλασης. Σχηματίστηκε από μύκητες ή οξειδωμένους κόκκους ρητίνης. Τα macerals της ομάδας του Λιπτινίτη ή Εξινίτη αποτελούν προϊόντα ενανθράκωσης φυτικών υλικών, πλούσιων σε υδρογόνο, όπως είναι οι σπόροι, η γύρη, οι φυσικές ρητίνες, επιδερμίδες φύλλων, κηρούχες ενώσεις, αιθέρια έλαια, λιπαρές ενώσεις, καθώς και προϊόντα βακτηριακής αποσύνθεσης πρωτεϊνών, κυτταρίνης και άλλων υδατανθράκων. Στο πετρογραφικό μικροσκόπιο εμφανίζονται διαφανή, ενώ διαθέτουν κίτρινο έως κόκκινο φθορισμό, ο οποίος αποδίδεται στις διεργασίες διαγένεσης των παραπάνω υλικών. Ο όρος εξινίτης ανταποκρίνεται περίπου στην παλαιότερη έννοια ντουρίτης. Αποτελεί το θαμπό τμήμα και σε στιλπνές τομές εμφανίζει λίγο ψηλότερο ανάγλυφο. Η ανακλαστικότητά του είναι χαμηλότερη του βιτρινίτη και η περιεκτικότητά του σε πτητικά συστατικά υψηλότερη. Οι κηράνθρακες είναι καθαροί εξινιτικοί άνθρακες. Οι εξινίτες σχηματίστηκαν σε ανοικτό υγρό περιβάλλον και γι αυτό περιέχουν συχνά λεπτές αργιλικές προσμίξεις. Χαρακτηριστικό των macerals αυτής της ομάδας είναι η πολύ χαμηλή ανακλαστικότητα και τα έντονα χρώματα φθορισμού, κάτω από την παρατήρηση σε μπλε προσπίπτων φως. Οι οπτικές τους ιδιότητες αποδίδονται στη χημική δομή τους, που αποτελείται κυρίως από αρωματικές και αλειφατικές ενώσεις. Αν και στην ονοματολογία των Λιπτινιτών δεν υπάρχουν υποομάδες, αυτοί μπορούν να διακριθούν σε κύριους, που προέρχονται από ενανθρακωμένα τμήματα φυτών, και δευτερεύοντες, που 29.14

15 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία σχηματίζονται μέσω αντιδράσεων θερμικής υγροποίησης και διαχωρισμού. Τα επιμέρους macerals της ομάδας του Λιπτινίτη είναι τα εξής: i) Σπορινίτης (εικ ): Προέρχεται από τα εξωτερικά κυτταρικά τοιχώματα σπόρων και γύρης. ii) Ρεζινίτης (εικ ): Μπορεί να προέρχεται από διαφορετικές μεταξύ τους χημικές ενώσεις, οι κυριότερες από τις οποίες είναι ρητίνες και κεριά, αν και άλλες ουσίες, όπως αιθέρια έλαια, γαλακτώδεις χυμοί και λιπαρές ενώσεις είναι πιθανό να αποτελούν επίσης το μητρικό του υλικό. iii) Κουτινίτης (εικ , 29.18): Προέρχεται από επιδερμικά στρώματα, που σχηματίζονται στα εξωτερικά κυτταρικά τοιχώματα φύλλων και άλλων εξωτερικών τμημάτων των φυτών. iv) Φθορινίτης: Κύριο χαρακτηριστικό αυτού του maceral αποτελεί ο έντονος φθορισμός κίτρινου ως κιτρινοπράσινου χρώματος. Το μητρικό υλικό του φθορινίτη θεωρείται ότι αποτελούν διάφορα αιθέρια έλαια. v) Αλγινίτης: Αποτελείται από τμήματα φυκιών (άλγες), που αναπτύσσονται κυρίως σε ολιγοτροφικές και δυστροφικές λίμνες, καθώς και σε σημεία υψηλής στάθμης νερού μέσα σε βάλτους. vi) Σουμπερινίτης: Εμφανίζεται με τη μορφή δικτύου γύρω από τον κορποχουμινίτη. vii) Βιτουμινίτης: Αποτελεί το προϊόν αποσύνθεσης αλγών και πλαγκτονικών οργανισμών, μαζί με βακτηριακή βιομάζα. viii) Χλωροφυλλινίτης: Πρόκειται για εξαιρετικά σπάνιο maceral, που προέρχεται από τη χλωροφύλλη, που περιέχεται σε φύκια, πράσινα φύλλα και καρπούς φυτών. ix) Λιπτοντετρινίτης: Αποτελείται από θραύσματα όλων των υπόλοιπων macerals της ομάδας του Λιπτινίτη. Είναι αρκετά κοινό maceral και εμφανίζεται σε γαιάνθρακες όλων των βαθμών ενανθράκωσης. Κατά την πρόοδο της ενανθράκωσης αυξάνεται η περιεκτικότητα των Λιπτινιτών σε άνθρακα, γεγονός που προκαλεί την απώλεια κάποιων από τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες, με αποτέλεσμα να μην είναι αρκετά ευδιάκριτοι στα ανώτερα στάδια του λιθάνθρακα. Οι λιθότυποι και τα φυτικά macerals αποτελούν το τελικό προϊόν των επιμέρους φυτικών ομάδων και κατά επέκταση είναι το αποτέλεσμα του επιπέδου του υδροφόρου ορίζοντα την εποχή του σχηματισμού. Έτσι μπορούν οι ερευνητές να εντοπίσουν κάποιο ανθρακοπετρογραφικό βαθμό συσχέτισης μεταξύ των macerals και των στρωμάτων των γαιανθράκων. Η ανθρακοπετρογραφία μελετά επίσης την ποιότητα των γαιανθράκων βάσει της περιεκτικότητάς τους σε πτητικά συστατικά, στοχεύοντας στην εξαγωγή πολύτιμων πληροφοριών περί της καταλληλότητας των διαφόρων γαιανθράκων για την παραγωγή koks

16 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Εικ : Βασική μάζα βιτρινίτη με ινερτινίτη (λευκό) και λιπτινίτη (σπορινίτη, σκούρο). Μεγέθυνση 50Χ,έλαιοκαταδ., πολωτής, Pueblo Seam, La Plata County, Colorado. Εικ : Macerals Βιτρινίτη: Κολλινίτης (πάνω) και τελινίτης (κάτω) με εγκλείσματα ρεζινίτη (σφαιρικά). Μεγέθυνση 144Χ, ελαιοκατάδυση. Courtesy of M.Th. Mackowsky, Bergbauforschung, Essen, Germany

17 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Εικ : Χαρακτηριστική εικόνα φουσινίτη. Μεγέθυνση 50Χ,έλαιοκαταδ., πολωτής. Εικ : Φουσινίτης (κίτρινο) και ημιφουσινίτης (καστανό,χαμηλότερη ανάκλαση). Μεγέθυνση 50Χ,έλαιοκαταδ., πολωτής, SW Indiana, USA. Εικ : Σκληροτινίτης

18 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Εικ : Σπορινίτης (πάνω, σκούρο, χαμηλότερη αντανάκλαση από το βιτρινίτη). Κάτω: ίδια εικόνα με μπλε φωτισμό, οι κόκκοι του σπορινίτη εμφανίζουν κίτρινο φθορισμο. Μεγέθυνση 50Χ,έλαιοκαταδ., πολωτής, φυλλάνθρακας, SW Indiana. Εικ : Ρεζινίτης σε κελιά βιτρινίτη με μπλε φωτισμό, Μεγέθυνση 50Χ,έλαιοκαταδ., πολωτής, Kentucky

19 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Εικ : Κουτινίτης (γραμμική ανάπτυξη, κέντρο) με σπορινίτη (σκούρο), βιτρινίτη (ανοικτό γκρι) και ινερτοντετρινίτη (λευκό). Εικ : Φθορίζων κουτινίτης με μπλε φωτισμό, Μεγέθυνση 50Χ,έλαιοκαταδ., πολωτής, SW Indiana

20 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Η χημική σύσταση των γαιανθράκων α) Τα οργανικά συστατικά του γαιάνθρακα Το σημαντικότερο συστατικό των φυτών είναι η κυτταρίνη, η οποία σκληραίνει με την επίδραση της λιγνίνης και σχηματίζει το ξύλο. Η περιεκτικότητα των διαφόρων φυτών σε λιγνίνη ποικίλει ευρέως. Οι μεθοξυλικές ομάδες αποτελούν σημαντικό συστατικό του μορίου της λιγνίνης για τους γαιάνθρακες. Για την προστασία των φυτικών οργάνων τους τα φυτά χρησιμοποιούν επιεφυμενιδικούς κηρούς, κουτίνη και σουβερίνη (φελλίνη). Οι κηροί μεταφέρονται από τη μητρική ύλη στους γαιάνθρακες σχεδόν αμετάβλητοι. Επιπλέον η μικροσκοπική ανάλυση των ανθράκων εντοπίζει όλα τα προαναφερθέντα ιστολογικά συστατικά. Άλλα φυτικά θρεπτικά συστατικά, όπως η ζάχαρη, οι πρωτεΐνες κ.α. είναι πολύ ευαίσθητα και διασπώνται ήδη στα αρχικά στάδια της τυρφοποίησης. Έτσι, προϊόντα διάσπασης πρωτεϊνών ανιχνεύονται ακόμη και σε τύρφεις. Η ύπαρξη ζώντων βακτηρίων στους άνθρακες υποστηρίζεται συχνά, ωστόσο δεν είναι δυνατόν να αποκλειστεί το ενδεχόμενο της ύπαρξής τους, εξαιτίας επιμόλυνσης των δειγμάτων από το περιβάλλον του μεταλλείου (νερά, αέρας), ακόμη και αν η δειγματοληψία έγινε κάτω από αποστειρωμένες συνθήκες. Τέλος, η περιεκτικότητα των ανθράκων σε άζωτο αποδίδεται τουλάχιστον εν μέρει στις πρωτεΐνες των μητρικών υλικών. Παλαιότερα πίστευε κανείς ότι η κυτταρίνη δεν συμμετέχει στο σχηματισμό των γαιανθράκων, διότι επικρατούσε η εντύπωση ότι αποσυντίθεται βιολογικά. Δηλαδή, όλα τα χουμικά συστατικά των ανθράκων προέρχονταν από την κυτταρίνη. Όμως, έχει αποδειχθεί κατηγορηματικά ότι στον ξυλίτη υπάρχει ποσότητα κυτταρίνης ίση με το 50% αυτής που εντοπίζεται στο φυσικό ξύλο, ενώ μεταβαίνοντας από τον ξυλίτη προς τον μαλακό φαιό και τον μαύρο θαμπό λιγνίτη η ποσότητα της κυτταρίνης ελαττώνεται στο 10% της αρχικής περιεκτικότητάς της στο ξύλο. Η λιγνίνη ανιχνεύεται ποιοτικά σε όλους τους άνθρακες. Στους μαλακούς λιγνίτες η περιεκτικότητα είναι σχεδόν 40%. Όσο προοδεύει η ενανθράκωση, παρατηρείται μια διακύμανση των τιμών. Το χουμικό οξύ διαλύεται στο νερό και σε ψυχρά αλκαλικά διαλύματα. Απαντά στην τύρφη και τους μαλακούς λιγνίτες σε ελεύθερη μορφή ή ως χουμικό άλας. Στην τύρφη απαντά αυξημένα το ελεύθερο χουμικό οξύ, ενώ στους λιγνίτες η ισορροπία μετατίθεται προς την πλευρά των χουμικών αλάτων του. Στους φαιούς λιγνίτες υπερτερούν τα χουμικά οξέα. Τα αλκαλικά τους άλατα, εκτός του άλατος του καλίου, είναι ευδιάλυτα στο νερό. Το άλας του καλίου απαντά στην τύρφη ως Ντοππλερίτης, σε μορφή μιας 29.20

21 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία καστονόμαυρης ζελλώδους μάζας, η οποία κατά την ξήρανση συστέλλεται και σχηματίζει μαύρα συσσωματώματα με δυνατή λάμψη και οστρακώδη θραυσμό. Στην ίδια μορφή απαντά ο ντοππλερίτης στις επιφάνειες διακλάσεων και στις ενδοστρωματικές επιφάνειες των ανθράκων. Συχνά τμήματα των ιστών είναι τελείως ζελλοποιημένα και εμφανίζονται συμπυκνωμένα με χαρακτηριστικές ρωγμές συστολής και μαύρο χρώμα. Τα βιτουμενούχα σώματα στους άνθρακες είναι μακροσκοπικά ή μικροσκοπικά (κηροί, σπόροι, φύκια και γύρη) ορατά. Στην πλειοψηφία τους όμως δεν είναι καλοσχηματισμένα και μπορούν να απομονωθούν μόνο μέσω διάλυσης ή εκχύλισης και να διαχωριστούν από το κυρίως σώμα των ανθράκων, κατά περίπτωση μόνο ως προϊόντα εξίδρωσης. Τα χουμικά συστατικά των ανθράκων προέρχονται κατά κανόνα από τα υψηλότερα μέλη της φυτικής αλυσίδας, ενώ τα βιτουμενούχα συστατικά από τα χαμηλότερα φυτά. Αυτό ισχύει ιδίως για τα βιτούμενα του πετρελαίου, το οποίο μπορεί να εντοπιστεί σε υγρή μορφή ακόμη και σε λιθάνθρακες. Η ύπαρξή τους οδηγεί στο συμπέρασμα ότι κατά την ενανθράκωση η θερμοκρασία έχει κάποια στιγμή φθάσει τους 50 ο C, ανεξάρτητα με τη διάρκεια επίδρασής της. Τέλος σε κάποιους λιγνίτες έχουν βρεθεί χρωστικά και θρεπτικά συστατικά των φυτών, π.χ. χλωροφύλλη, σε μορφή πρασινωπών εμποτισμών, οι οποίοι όταν έρχονται σε επαφή με την ατμόσφαιρα γίνονται γρήγορα καστανοί. Η ερμηνεία αυτού του φαινομένου είναι δύσκολη, καθώς συνήθως η χλωροφύλλη έχει διασπαστεί ήδη στο στάδιο της τυρφοποίησης. β) Η στοιχειακή σύσταση του γαιάνθρακα Κατά την εξόρυξή τους οι γαιάνθρακες περιέχουν νερό και στάχτες. Μετά τον εμπλουτισμό παραμένει ο καθαρός γαιάνθρακας. Η χημική του σύσταση καθορίζει τα διάφορα είδη των ανθράκων. Εάν θερμάνει κανείς αναερόβια μια ποσότητα λιγνίτη, διαφεύγουν εύφλεκτα αέρια (φωταέριο) και ατμοί που συμπυκνώνονται σε πίσσα. Αυτά τα υλικά ονομάζονται «πτητικά συστατικά» και η περιεκτικότητά τους ελαττώνεται με αυξανόμενο βαθμό ενανθράκωσης. Στο γραφίτη η περιεκτικότητά τους είναι 0%. Μετά την διαφυγή των πτητικών συστατικών, το υπόλειμμα που παραμένει είναι το koks (οπτάνθρακας). Η περιεκτικότητα του οπτάνθρακα σε C ονομάζεται «δεσμευμένος άνθρακας, fixed carbon», και στην αμερικάνικη βιβλιογραφία χρησιμοποιείται ως κριτήριο του βαθμού ενανθράκωσης, συμπληρωματικά προς το ποσοστό των πτητικών συστατικών

22 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Η στοιχειακή σύσταση του καθαρού γαιάνθρακα εξαρτάται από τα φυτικά μητρικά προϊόντα του: Κύρια συστατικά είναι ο άνθρακας (C), το υδρογόνο (H) και το οξυγόνο (O). Ως δευτερεύοντα απαντούν θείο (S) και άζωτο (N), ενώ ως ιχνοστοιχεία περιέχονται κάποια μέταλλα. Ο πίνακας 29.3 δίνει τη μέση στοιχειακή σύσταση των σημαντικότερων μελών των σταδίων της ενανθράκωσης. % C % H % O % N Ξύλο Τύρφη Λιγνίτης Λιθάνθρακας Ανθρακίτης Γραφίτης Πίνακας 29.3: Μέση στοιχειακή σύσταση ξύλου, τύρφης, λιγνίτη, λιθάνθρακα, ανθρακίτη και γραφίτη. Η συνεχής αύξηση της περιεκτικότητας του άνθρακα και η ταυτόχρονη μείωση των τιμών του οξυγόνου και των άλλων στοιχείων στη σειρά ξύλο - γραφίτης παριστάνεται σε ένα μεγάλο αριθμό αναλύσεων σε μια τριγωνική απεικόνιση (εικ ), όπου στην κορυφή τοποθετείται το Υδρογόνο (Η), αριστερά ο άνθρακας (C) και δεξιά το οξυγόνο (Ο). Παρατηρούμε ότι όσο προοδεύει η ενανθράκωση μειώνεται η περιεκτικότητα σε Ο και Η. Μάλιστα σε κάποιο σημείο του σχηματισμού των λιθανθράκων, παρατηρείται μια απότομη πτώση των δύο αυτών στοιχείων και ιδιαίτερα του Η. Είναι η στιγμή του σχηματισμού του μεθανίου (CΗ4), του αερίου που ευθύνεται για τόσα πολλά ατυχήματα στα ανθρακωρυχεία. Το σημείο αυτό χαρακτηρίζεται στη βιβλιογραφία ως «άλμα ενανθράκωσης». Το άλμα αυτό εκφράζεται και στις φυσικές ιδιότητες των ανθράκων (ανάκλαση κτλ.) Το άζωτο (Ν) προέρχεται από τις πρωτεΐνες των υλικών των ελών και αποτελεί τη βάση της παραγωγής αμμωνίας (ΝΗ 3 ) στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας αερίων. Το θείο (S) απαντά στους γαιάνθρακες μόνο σε μικρές ποσότητες, δεσμευμένο σε οργανική μορφή, συγκεκριμένα μόνο όταν υπάρχουν πρωτεΐνες. Κατά κύριο λόγο βρίσκεται στην ορυκτολογική φάση 29.22

23 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία (στάχτες, θειούχες ενώσεις ή γύψος) και μεταβαίνει στη συνέχεια στους άνθρακες. Ιδιαίτερα υψηλά είναι τα ποσοστά του οργανικά δεσμευμένου θείου σε κοιτάσματα με ασβεστιτικό υπόβαθρο, δηλαδή σε περιοχές όπου ευνοούνταν η επώαση μικροοργανισμών (υψηλές τιμές ph). Αντίθετα, εμφανώς μειωμένη είναι η περιεκτικότητα σε θείο ανθράκων που σχηματίστηκαν σε δολομιτικό περιβάλλον. Στρώματα γαιανθράκων που επηρεάστηκαν από θαλάσσια νερά εμφανίζουν επίσης αυξημένη περιεκτικότητα θείου, καθώς τα θειικά άλατα του θαλάσσιου νερού ανάγονται σταδιακά σε θειούχες ενώσεις. Το θείο είναι πολλαπλά επιβλαβές για τους γαιάνθρακες, καθώς αφενός μεν κατά την καύση τους παράγεται το καταστροφικό για το περιβάλλον διοξείδιο του θείου (SO 2 ), και αφετέρου αποτελεί και ανεπιθύμητη πρόσμειξη στο μεταλλουργικό koks. Εικ.29.19: Τριγωνική παράσταση της περιεκτικότητας των γαιανθράκων σε C, O και H. Τ = Τύρφη, JB, MB, AB = Λιγνίτες, GF, G, F, E, M = Λιθάνθρακες, Α = Ανθρακίτης, S = Σουγκίτης (κατά Apfelbeck). Τα ίχνη μετάλλων, π.χ. γερμάνιο που κατά περίπτωση ανιχνεύονται στους άνθρακες, δεν έχουν καμία τεχνολογική σημασία. Το ίδιο ισχύει και για το ουράνιο και τα διάφορα έγχρωμα μέταλλα, ιδιαιτέρως για το χαλκό, για τα οποία στο παρελθόν είχαν δημιουργηθεί ελπίδες ύπαρξης τους στους άνθρακες. Τα χημικά στοιχεία που είχαν 29.23

24 29. Γεωλογία Γαιανθράκων εντοπιστεί αυξημένα σε κάποιους γαιάνθρακες, αποδείχθηκε ότι ήταν δεσμευμένα επιλεκτικά, είτε στην οργανική ύλη κατά το στάδιο της τυρφοποίησης, είτε είχαν μεταφερθεί στους άνθρακες αργότερα με τα υπόγεια νερά. Σε κάθε περίπτωση έχουν μόνο τοπική σημασία. γ) Η περιεκτικότητα των γαιανθράκων σε νερό και αέρια Το νερό αποτελεί βασικό συστατικό των φυσικών γαιανθράκων. Η περιεκτικότητά του στους λιγνίτες κυμαίνεται από 30-60% κ.β. Έτσι όλες οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λιγνίτη (ΑΗΣ, μπριγκετοποιία κτλ.) κατασκευάζονται κοντά στα ορυχεία, ώστε να αποφεύγονται περιττά έξοδα μεταφοράς. Η περιεκτικότητα των γαιανθράκων σε νερό μειώνεται με αυξανόμενο βαθμό ενανθράκωσης και στον ανθρακίτη φθάνει μόλις το 1-2%. Στους γαιάνθρακες το νερό εμφανίζεται σε δύο μορφές: ως επιφανειακό ή τριχοειδές νερό των πόρων και ως αναλυτική υγρασία (υγροσκοπικότητα). Το πρώτο εξατμίζεται με τις ατμοσφαιρικές συνθήκες (ήλιος, ζέστη, αέρας), ενώ η αναλυτική υγρασία αποβάλλεται μέσω ξήρανσης στους 105 ο C. Για τον καθορισμό της κατηγορίας των γαιανθράκων λαμβάνεται υπόψη μόνο το τριχοειδές νερό. Το παράδοξο είναι ότι αν ένας μαλακός λιγνίτης ξηραθεί και χάσει την τριχοειδή του υγρασία, μετατρέπεται σε έναν εύθρυπτο λεπτόκοκκο λιγνίτη, ο οποίος δεν πωλείται εύκολα. Τα αέρια που βρίσκονται απορροφημένα στους γαιάνθρακες είναι το μεθάνιο (CH 4 ), το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO), μερικές φορές το υδρογόνο (H 2 ) και σπανιότερα το ήλιο (He). Πρακτική σημασία έχουν μόνο το μεθάνιο και το διοξείδιο του άνθρακα. Το μεθάνιο σχηματίζεται κατά την ενανθράκωση, ιδιαιτέρως στη φάση του άλματος αυτής. Είναι ένα ιδιαίτερα επικίνδυνο αέριο, καθώς αντιδρά εκρηκτικά όταν έρθει σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα. Όμως, μεθάνιο σχηματίζεται ακόμη και σε μερικά λιγνιτικά στρώματα. Το διοξείδιο του άνθρακα προέρχεται μόνο μερικώς από τη διεργασία της ενανθράκωσης. Συνήθως είναι ηφαιστειακής προέλευσης και μεταφέρεται στα στρώματα των γαιανθράκων μέσω των διαπερατών γειτονικών πετρωμάτων. Υπάρχουν ορυχεία στα οποία έχουν συμβεί τραγικές καταστροφές από ξαφνική απελευθέρωση τεράστιων ποσοτήτων εγκλωβισμένου διοξειδίου του άνθρακα, τόσο λόγω της αποπνικτικότητας του αερίου, όσο και εξαιτίας του ωστικού κύματος που δημιουργείται κατά την διαφυγή του. Το διοξείδιο του άνθρακα συσσωρεύεται στα στρώματα των γαιανθράκων μέσω των τεκτονικών στοιχείων και των διαπερατών γειτονικών πετρωμάτων. Όταν τα 29.24

25 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία υπερκείμενα του κοιτάσματος ιζήματα είναι στεγανά (αργιλικοί σχίστες ή σχιστή άργιλος), το αέριο εγκλωβίζεται και συγκεντρώνεται στο κοίτασμα μη έχοντας δυνατότητα σταδιακής διαφυγής. Σε αυτές τις περιπτώσεις απαιτούνται πρόσθετα μέτρα κατά την εξόρυξη, π.χ. σταδιακή χαλάρωση των υπερκειμένων ή αργή εξόρυξη. Τέλος, η ύπαρξη μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα γίνεται αντιληπτή και από της φυσαλίδες που δημιουργούνται στις λίμνες των ορυχείων, όταν διαφεύγουν αυτά τα αέρια. δ) Οι στάχτες και η ορυκτολογική φάση των γαιανθράκων Ως στάχτες χαρακτηρίζονται τα άκαυστα συστατικά των γαιανθράκων. Η ορυκτολογική φάση απαρτίζεται από τα πετρώματα και τα ορυκτά που διαχωρίζονται από τους γαιάνθρακες κατά τη διαδικασία του εμπλουτισμού τους (στείρα). Οι στάχτες έχουν ποικίλη προέλευση: 1) πετρώματα που αναμιγνύονται με το κάρβουνο κατά την εξόρυξη, 2) ορυκτολογικά συστατικά που συγκεντρώθηκαν κατά το στάδιο της ιζηματογένεσης στα έλη σχηματισμού, και 3) ορυκτολογικά συστατικά των φυτών. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι άργιλοι και οι άμμοι που μεταφέρθηκαν στα έλη με το νερό (βροχές, χείμαρροι κτλ.), καθώς και ανθρακικά και θειούχα ορυκτά που αποκρυσταλλώθηκαν κατά τη διαδικασία της διαγένεσης. Οι βιτρινίτες είναι φτωχότεροι σε στάχτες από ότι οι ινερτινίτες. Οι γαιάνθρακες μπορούν επίσης να «εμπλουτιστούν» επιγενετικά με ορυκτολογικά συστατικά, τα οποία μεταφέρονται μέσω των θερμών διαλυμάτων που διεισδύουν στα στρώματα των γαιανθράκων, προερχόμενα από τα γειτονικά πετρώματα. Η θερμοκρασία τήξης της ορυκτολογικής φάσης είναι αποφασιστικής σημασίας για την ποιότητα των γαιανθράκων, καθώς από αυτήν εξαρτάται ο σχηματισμός ή μη της ανεπιθύμητης συμπαγούς σκωρίας κατά τη θερμική επεξεργασία τους. Ως προϊόντα αποκρυστάλλωσης σε ελώδες περιβάλλον πρέπει να θεωρούνται οι δολομίτες των τύρφεων και τα διάφορα ορυκτά του σιδήρου. Τα στρώματα αυτών των δολομιτών έχουν μεγάλη εξάπλωση, κονδυλοειδή μορφή, δομούν τα υπερκείμενα στρώματα των κοιτασμάτων και σχηματίστηκαν σε θαλάσσιο περιβάλλον, όταν το Mg-ούχο θαλάσσιο νερό πλημμύρισε τα έλη. Επειδή συνεκτικοποιήθηκαν νωρίς, διατηρούν σχεδόν αναλλοίωτα τα φυτικά υπολείμματα που περιέβαλαν. Τα στρώματα και οι κόνδυλοι σιδηρούχων ορυκτών, όπως ο σιδηρίτης, σχηματίστηκαν κάτω από αναγωγικές συνθήκες σε λιμναίο περιβάλλον

26 29. Γεωλογία Γαιανθράκων ε) Φυσικές ιδιότητες των γαιανθράκων Η πυκνότητα των γαιανθράκων μεταβάλλεται ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε στάχτη. Η πυκνότητα του μαλακού λιγνίτη είναι 1.2 g/cm 3 και του ανθρακίτη 1.4 g/cm 3. Η σκληρότητα των λιγνιτών αυξάνεται όσο μειώνεται η περιεκτικότητά τους σε νερό. Ο ημιανθρακίτης και ο ανθρακίτης είναι σκληρότερα από τα άλλα είδη λιθανθράκων, γι αυτό στην αγγλόφωνη βιβλιογραφία χαρακτηρίζονται «hard coals». Η δυνατότητα κοπής λεπτών τομών είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα των μαλακών λιγνιτών. Η θρυπτικότητα λαμβάνει μέγιστες τιμές στους πισσούχους λιθάνθρακες. Οι βιτρινίτες είναι πιο άκαμπτοι από τους λιπτινίτες/εξινίτες, γεγονός που ευνοεί τη δημιουργία ρωγμών και συνεπώς τη μεγαλύτερη θρυπτικότητα τους. Ο κηράνθρακας είναι ο πιο συμπαγής όλων και επιδέχεται επεξεργασία λείανσης και γλυπτικής. Η μέθοδος εξόρυξης που θα ακολουθηθεί, εξαρτάται από το βαθμό θρυπτικότητας των επιμέρους γαιανθράκων. Σε ότι αφορά την αντοχή στη θλίψη οι λιθάνθρακες εμφανίζουν έντονη διακύμανση, με τιμές από kg/cm 2. Γενικά ισχύει ότι οι βιτρινίντες είναι πιο ευαίσθητοι από τους ντουρίτες. Η διαφάνεια μειώνεται όσο αυξάνεται ο βαθμός ωρίμανσης των λιθανθράκων, ενώ αντίθετα ο συντελεστής ανάκλασης αυξάνεται σταδιακά με το βαθμό ενανθράκωσης, με συνέπεια να χρησιμοποιείται για την κατάταξη των λιθανθράκων στις διάφορες κατηγορίες. Μάλιστα, αυτός ο τρόπος κατάταξης είναι πιο ακριβής από τη μέθοδο των πτητικών συστατικών. Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί και σε μικρά τεμαχίδια ανθράκων, τους λεγόμενους φυτοκλάστες, που βρίσκονται εντός πετρωμάτων. Οι λιθάνθρακες διαθέτουν την ιδιότητα της διπλής διάθλασης και συγκεκριμένα η διεύθυνση κατάσβεσης με διασταυρωμένο αναλυτή και πολωτή είναι συνήθως παράλληλη και κάθετη προς τη στρώση. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη ανισοτροπίας τάσεων, οι οποίες προκαλούνται από την κάθετη πίεση των υπερκείμενων στρωμάτων προς τη διεύθυνση της στρώσης. Σε μερικά κοιτάσματα παρατηρείται λοξή κατάσβεση, η οποία προφανώς αποδίδεται σε πλευρικές τεκτονικές δυνάμεις, που επέδρασαν κατά τα αρχικά στάδια της ενανθράκωσης. Στις φυσικές ιδιότητες των γαιανθράκων ανήκει και η συμπεριφορά τους κατά την διαφορική θερμική ανάλυση. Κατά την θέρμανση των γαιανθράκων συμβαίνουν μεταβολές και αντιδράσεις, οι οποίες απελευθερώνουν θερμότητα. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνουν αυτές οι μεταβολές είναι τόσο υψηλότερη όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός ενανθράκωσης και συνδέονται με τη διάσπαση των 29.26

27 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία βιτουμένων, γεγονός που έχει μεγάλη σημασία για την καύση των λιθανθράκων στην μεταλλουργία. Η έρευνες που έγιναν για την διαπίστωση των φυσικών τους ιδιοτήτων οδήγησαν στη μελέτη της μικροδομής των γαιανθράκων: Οι γαιάνθρακες έχουν κολλοειδή δομή. Τα μικρότερα δομικά σωματίδια ονομάζονται μικκύλια. Στους χαμηλόβαθμους άνθρακες η συνοχή αυτών των μοριακών ομάδων εξασφαλίζεται με δεσμούς υδρογόνου. Αυτοί οι δεσμοί εξασθενούν σταδιακά προς τους υψηλόβαθμους γαιάνθρακες. Τα μικκύλια γίνονται μεγαλύτερα και περισσότερο δομημένα, έως ότου τελικά αποκτήσουν την κρυσταλλική δομή του γραφίτη. Για την περιγραφή της μικροδομής δεν αρκεί μόνο η γνώση του είδους και του μεγέθους των μικκυλίων, αλλά και το πορώδες των λιθανθράκων. Όσο αυξάνεται η περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά, τόσο μειώνεται το πορώδες και φθάνει την ελάχιστη τιμή 20-25%, ενώ στη συνέχεια αυξάνεται πάλι (εικ ). Ανάλογα με την καμπύλη του πορώδους αναπτύσσεται και η καμπύλη αντοχής, η οποία λαμβάνει μια ελάχιστη τιμή στους πισσούχους λιθάνθρακες. Εικ : Η σχέση μεταξύ ωριμότητας και πορώδους των γαιανθράκων (κατά King). στ) Η καταλληλότητα γαιανθράκων για παραγωγή koks Η καταλληλότητα για παραγωγή koks είναι μια ιδιότητα που διαθέτουν κατά κανόνα μόνο κάποια είδη λιθανθράκων και κάποια λεπτά στρωματίδια ελάχιστων λιγνιτών. Αυτή εξαρτάται από το βαθμό ενανθράκωσης του γαιάνθρακα, ιδιαίτερα των βιτουμένων. Ένας καλός πορώδης οπτάνθρακας σχηματίζεται όταν η ωρίμανση των ανθρακούχων 29.27

28 29. Γεωλογία Γαιανθράκων συστατικών συμβαίνει στο ίδιο φάσμα θερμοκρασίας και ταυτόχρονα με τη διάσπαση των βιτουμένων. Σε μη ώριμους άνθρακες η διάσπαση των βιτουμένων γίνεται πολύ νωρίς, σχηματίζοντας ένα αμμώδες υπόλειμμα άνθρακα. Σε πιο ώριμους άνθρακες δεν υπάρχουν αρκετά βιτούμενα. Έτσι με ανάμιξη δύο γαιανθράκων, ενός πλούσιου και ενός φτωχού σε πτητικά συστατικά, μπορεί να παραχθεί ένας χρήσιμος οπτάνθρακας. Η αυξημένη πίεση μπορεί να καθυστερήσει την διαφυγή των αερίων από το γαιάνθρακα, με συνέπεια να καθίσταται κατάλληλος για παραγωγή koks. Επίσης, Koks παρήχθη από λιγνίτη πειραματικά μέσα σε αυτόκαυστο. Για τη συσχέτιση της εξαέρωσης των γαιανθράκων και του μαλακώματος της ανθρακοΰλης υπάρχουν διάφορες υποθέσεις. Εάν η επικοινωνία μεταξύ των πόρων ενός γαιάνθρακα δεν είναι καλή, παρεμποδίζεται η διαφυγή των πτητικών συστατικών, με αποτέλεσμα η πίεση που δημιουργείται να παραμορφώνει τα τοιχώματα των πόρων και αυτά να φαίνονται ως σημεία τήξης. Το μαλάκωμα της ανθρακοΰλης αποδίδεται στο σχηματισμό μετασταθερών υγρών προϊόντων, τα οποία λειτουργούν ως λιπαντική ουσία μεταξύ των αδρανών υλικών που απέμειναν. Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες των γαιανθράκων που αναλύθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, παριστάνονται στον πίνακα Βάσει των παραπάνω παρατηρήσεων δημιουργείται μια κλειστή, συνεχείς και εξαντλητική σειρά όλων των τύπων των γαιανθράκων, που βασίζεται σχεδόν σε όλες τις ιδιότητές τους, όπως το χρώμα, η διαφάνεια, η ανάκλαση, η μικροδομή, το ειδικό βάρος, η θερμογόνος δύναμη, η οργανική σύσταση, η στοιχειακή σύσταση, η περιεκτικότητα σε νερό κ.α. Αυτή η σειρά αρχίζει με την τύρφη και τελειώνει με το γραφίτη. Είναι η κλίμακα ενανθράκωσης και αποτελεί το θεμέλιο κάθε θεωρίας σχηματισμού των λιθανθράκων Τα κοιτάσματα γαιανθράκων Τύποι και διαστάσεις κοιτασμάτων Οι γαιάνθρακες εμφανίζονται πάντα σε μορφή στρωμάτων. Τα στρώματα είναι είτε παχιά και εκμεταλλεύσιμα, είτε λεπτά και μη εκμεταλλεύσιμα. Υπάρχουν και αναφορές για φλεβικά κοιτάσματα, αλλά αυτά είναι στρώματα που έχουν συνθλιβεί τεκτονικά και έχουν συμπιεστεί μέσα σε ρήγματα ή διακλάσεις. Δικτυωτά κοιτάσματα είναι επίσης γνωστά, αλλά αυτά είναι αποτέλεσμα ενστρωμένου ξύλου μεταξύ των στρώσεων γαιάνθρακα

29 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Χρώμα και λάμψη Ειδικό βάρος g/cm 3 Μικροδομή Θερμογόνος δύναμη kcal/kg kj/kg Νερό % Πτητικά συστατικά % Άνθρακας % Χημικά συστατικά % Τύρφη Μαλακός λιγνίτης Σκληρός Λιγνίτης Καστανό Θαμπή Καστανό θαμπή Καστανό έως μαύρο Θαμπή 1.0 Φυτικές ίνες και κολλοειδής Κολλοειδής Κυτταρίνη Χουμικά οξέα Λιγνίνη Βιτούμενα Χουμίνες Λιγνίνη Βιτούμενα Φλογάνθρακας Λιπάνθρακας Ημιανθρακίτης Ανθρακίτης Μαύρο Λιπώδης λάμψη Μαύρο έντονη λάμψη Κολλοειδής με αυξανόμενο ποσοστό κυκλικών στρωματοειδώς διατεταγμένων μοριακών ομάδων Αδιάλυτες χουμίνες και Βιτούμενα σε σταδιακά μειούμενο ποσοστό Γραφίτης Μαύρο με ημιμεταλλική λάμψη 2.2 Φυλλώδες πλέγμα Πρακτικά μη αναφλεγόμενο ± καθαρός άνθρακας Πίνακας 29.4: Οι σημαντικότερες ιδιότητες της τύρφης, των λιγνιτών, των λιθανθράκων, του ανθρακίτη και του γραφίτη

30 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Οι σημαντικότεροι τύποι κοιτασμάτων που διαδραματίζουν σοβαρό ρόλο στην εξόρυξη και στον υπολογισμό των αποθεμάτων είναι οι εξής: Στρωσιγενή κοιτάσματα μεγάλης έκτασης σε μορφή ενδιάμεσων στρωμάτων, βρισκόμενων σε συμφωνία και εναλλαγή με τις στρώσεις των στείρων. Στρωματοειδή πτυχωμένα σώματα (εικ ) συχνά κυμαινόμενου πάχους, που αποτελούν τη βάση μιας υπερβατικής ακολουθίας στρωμάτων και βρίσκονται συνήθως σε ασυμφωνία με αυτά τα στρώματα. Η διακύμανση του πάχους των στρωμάτων είναι συχνά απότομη, χωρίς καμία ένδειξη των μεταβολών στην επιφάνεια, η οποία θα οδηγούσε στο συστηματικό εντοπισμό τους. Η αναζήτηση τέτοιων κοιτασμάτων βασίζεται κυρίως στις γεωφυσικές μεθόδους έρευνας. Τα σπανιότερα εμφανιζόμενα διακλαδιζόμενα κοιτάσματα προμειοκαινικών λεκανών. Το πάχος των στρωμάτων των λιγνιτικών κοιτασμάτων μπορεί τοπικά να ξεπεράσει τα 100m. Τα παχύτερα στρώματα του κόσμου φθάνουν τα 170 m και απαντούν στο Morwell (Victoria, Australia). Το πάχος των στρωμάτων στους λιθάνθρακες είναι μικρότερο και κυμαίνεται από λίγα δεκατόμετρα έως 70 μέτρα (το παχύτερο στον κόσμο, Fushun της Μαντζουρίας). Στρώματα μικρότερου πάχους 30-50m εντοπίζονται στη Γαλλία, τη Γερμανία και την Πεννσυλβανία. Το κοίτασμα του Pittsburg στην Καλιφόρνια εκτείνεται σε συνολική επιφάνεια km 2, με συνολικό πλάτος 200km. Το κοίτασμα στο Herrin του Illinois είναι εκμεταλλεύσιμο σε συνολική επιφάνεια km 2, ενώ τα στρώματα του κοιτάσματος Katharina στη Βεστφαλία έχουν μήκος 210 km και πλάτος 50 km. Εικ : Μειοκαινικά πτυχωμένα στρωματοειδή σώματα γαιανθράκων (κατά Pohl)

31 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Ενδιάμεσα στείρα στρώματα και όρια κοιτασμάτων Οι στρώσεις γαιανθράκων εναλλάσσονται με στρώματα στείρων πετρωμάτων, τα οποία συνήθως είναι σχιστοί άργιλοι ή άργιλοι και σπανιότερα ψαμμίτες ή ασβεστίτες και ηφαιστειακοί τόφφοι. Στη Γερμανία και τη Σκωτία απαντούν ως στείρα επίσης και σιδηρούχα ορυκτά και ωολιθικός σιδηρίτης. Το πάχος αυτών των στείρων στρωμάτων ποικίλει και κατά κανόνα είναι ανάλογο του συνολικού πάχους των στρωμάτων του κοιτάσματος. Μεγάλης εξάπλωσης είναι τα στρώματα ηφαιστειακών τόφφων, τα οποία επιπλέον έχουν ιδιαίτερη πετρολογική σημασία. Σε κάποιες περιπτώσεις μάλιστα όταν αυτοί οι τόφφοι αργιλοποιηθούν, σχηματίζουν χρήσιμα κοιτάσματα πυρίμαχων αργίλων και μπεντονίτη. Ακόμη και λεπτόκοκκοι άμμοι αποτελούμενοι από ηφαιστειακά γυαλιά αποτελούν ενδιάμεσες στρώσεις κοιτασμάτων γαιανθράκων. Όταν το πάχος των ενδιάμεσων στείρων στρώσεων αυξηθεί πολύ, τότε συνήθως αυτό συμβαίνει εις βάρος των στρώσεων του γαιάνθρακα. Το πάχος τόσο των στρωμάτων του γαιάνθρακα, όσο και των στείρων στρωμάτων, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ταχύτητα καθίζησης του πυθμένα του έλους σχηματισμού. Όταν αυτή η ταχύτητα είναι αργή, τότε τα στρώματα των γαιανθράκων γίνονται παχιά. Στην περίπτωση γρήγορης βύθισης της λεκάνης σχηματισμού, η περιοχή πλημμυρίζει και έτσι διακόπτεται η ανάπτυξη της βλάστησης και αρχίζει ο σχηματισμός ιζημάτων, με συνέπεια τη διακοπή ή ακόμη και τον τερματισμό της διεργασίας σχηματισμού γαιανθράκων. Το φαινόμενο αυτό είναι ακόμη εντονότερο προς το κέντρο της λεκάνης. Όταν πλέον επιβραδύνεται η βύθιση, η φυτική ύλη αποσυντίθεται έχοντας χάσει την υδάτινη προστασία από τον αέρα και δίνει άνθρακες πλούσιους σε στάχτες. Στα περιθώρια της λεκάνης σχηματίζονται συνήθως πλευρικοί κώνοι κορημμάτων ψαμμιτικής ή κροπαλοπαγούς μορφής. Έτσι, κατά κανόνα γίνεται αντιληπτό αν η τύφλωση του κοιτάσματος έγινε στα περιθώρια της λεκάνης (στείρα από ψαμμίτες και κροκαλοπαγή) ή στο κέντρο (στείρα αργιλικής μορφής). Αυτό το ερώτημα μπορεί βέβαια να απαντηθεί και με τη βοήθεια της ανθρακοπετρογραφίας. Φυσικά δεν πρέπει να συγχέεται η βαθμιαία απόληξη των κοιτασμάτων με την ξαφνική και απότομη διακοπή των ανθρακοφόρων στρωμάτων, η οποία οφείλεται είτε σε ποτάμια επίδραση και μεταφορά των στρωμάτων, είτε σε μεταγενέστερη διάβρωση τους. Όταν πρόκειται για φυσική απόληξη στρωμάτων, η τύφλωση του κοιτάσματος γίνεται σταδιακά, ενώ στην περίπτωση της διάβρωσης η συνέχεια των στρωμάτων διακόπτεται απότομα

32 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Τυρφώδη έλη και σχηματισμός γαιανθράκων Τυρφώδη έλη μπορεί να συγκεντρωθούν σε υπάρχουσες κοιλότητες, όπως δολίνες (εικ ) και ενδιάμεσους χώρους μεταξύ σωρών λιθώνων. Συνήθως όμως σχηματίζονται σε αργά βυθιζόμενους χώρους, είτε παράκτια, είτε στη στεριά. Αυτού του είδους η βύθιση οφείλεται σε τεκτονικά αίτια, όμως βυθίσματα μπορούν να προκληθούν και λόγω ιζηματογένεσης ή τοπικής διάλυσης αλάτων (εικ ). Εικ : Σχηματισμός στρωμάτων γαιανθράκων σε κοιλοτητες τύπου δολίνης (κατά Pohl). Εικ : Σχηματισμός στρωμάτων γαιανθράκων σε έγκοιλο από διάλυση αλάτων (κατά Kukuk)

33 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Τα τεκτονικά βυθίσματα συμβαίνουν συνήθως ως επαναλαμβανόμενοι κύκλοι. Αυτό αποδεικνύεται από τα πολλά επαναλαμβανόμενα όμοια στρώματα γαιανθράκων και τις εναλλαγές όμοιων επίσης ιζηματογενών ορυκτολογικών υλικών μεταξύ αυτών. Δηλαδή υπάρχουν χρονικά διαστήματα κατά τα οποία υπάρχει ομαλή ανάπτυξη βλάστησης, και ενδιάμεσα διαστήματα κατά τα οποία η βλάστηση διακόπτεται και αρχίζει ο σχηματισμός ιζηματογενών υλικών. Αυτό συμβαίνει σε περιόδους που το έλος πλημμυρίζει και η επιφάνειά του βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του νερού. Αδιατάρακτα φαίνεται να σχηματίστηκε το πάχους 200m στρώμα τύρφης των Φιλίππων στη Μακεδονία, το οποίο βρίσκεται από τη βάση ως την οροφή μέσα σε πλειστοκαινικά ιζήματα. Έρευνες έδειξαν ότι για το σχηματισμό λιγνίτη πάχους 1m απαιτούνται έτη, ενώ για λιθάνθρακα αντίστοιχα έτη. Στη νήσο Βόρνεο έχουν παρατηρηθεί ωστόσο πολύ υψηλότερες ταχύτητες τυρφοποίησης από ότι στην Ευρώπη (1m ανά έτη). Σήμερα θεωρείται βέβαιο ότι τα κοιτάσματα γαιανθράκων που σχηματίστηκαν κατά το λιθανθρακοφόρο και το τριτογενές, προήλθαν από τροπικά έως υποτροπικά πυκνά δάση και από αντίστοιχα έλη. Αυτό αποδείχθηκε από τη βοτανική μελέτη των στρωμάτων των γαιανθράκων. Τα αλλεπάλληλα στρώματα θαλάσσιας κιμωλίας και απολιθωματοφόρων ασβεστόλιθων που απαντούν εδώ, αποδίδονται προφανώς σε ισάριθμες πλημμύρες της θάλασσας. Οι γαιάνθρακες που σχηματίζονται σε ψυχρότερες και ξηρότερες κλιματικές συνθήκες, είναι πλουσιότεροι σε στάχτες. Τα περισσότερα κοιτάσματα βρίσκονται ακριβώς στο ίδιο σημείο, στο οποίο κάποτε αναπτύχθηκαν τα μητρικά τους δάση και έλη. Αυτά τα κοιτάσματα ονομάζονται αυτόχθονα. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα περισσότερα κοιτάσματα της Ελλάδος (εικ , 29.25, 29.26, 29.27). Πολύ σπάνια σχηματίζονται κοιτάσματα γαιανθράκων από παρασυρμένα φυτικά υλικά. Όταν αυτό συμβεί τότε τα κοιτάσματα χαρακτηρίζονται ως αλλόχθονα. Χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτοχθόνων κοιτασμάτων είναι η ύπαρξη όρθιων κορμών δένδρων στα στρώματά τους, ενώ στα αλλόχθονα υπάρχουν άμμοι και χαλίκια, καθώς τα στρώματα λεπταίνουν γρήγορα και έχουν περιορισμένη έκταση. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκει πιθανότατα το κοίτασμα της Κύμης στην Εύβοια

34 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Εικ : Τα κοιτάσματα γαιανθράκων στον ελλαδικό χώρο. Εικ : Γεωλογικός χάρτης της λεκάνης της Μεγαλόπολης (Ι.Γ.Μ.Ε.)

35 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Εικ : Σκαρίφημα της τεκτονικής τάφρου της δυτικής Μακεδονίας. Εικ : Ποσοστιαία κατανομή των Ελληνικών αποθεμάτων λιγνίτη

36 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Τα μητρικά πετρώματα των γαιανθράκων Το είδος των γειτονικών πετρωμάτων των κοιτασμάτων γαιανθράκων επηρεάζεται από τις παλαιοκλιματικές συνθήκες. Αποκλείονται πετρώματα κόκκινου χρώματος ξηρών κλιματικών ζωνών. Στο κοίτασμα του Radowenzer της Νότιας Σαξονίας όσο τα στρώματα του γαιάνθρακα αναπτύσσονται προς τους κόκκινους αρκόζες γίνονται πιο φτωχά. Αντίθετα, τα χαμηλότερα γκρίζα σχιστολιθικά στρώματα είναι πλουσιότερα. Το γκρίζο χώμα αυτών των στρωμάτων οφείλεται σε οργανική ύλη. Τα χουμικά οξέα διαλύουν το σίδηρο των στρωμάτων της βάσης, με συνέπεια αυτά να αποκτούν κίτρινο χρώμα. Η θερμή υδρολυτική αποσάθρωση προκαλεί φαινόμενα κατανάλωσης (μετατροπή αστρίων σε καολίνη και χαλαζία), με αποτέλεσμα το σχηματισμό καολίνη και χαλαζιακών άμμων και χαλαζιτών. Ακόμη και υψηλής κεραμικής ποιότητας άργιλοι είναι συχνά συνοδοί γαιανθράκων. Πρακτικής σημασίας, ιδιαίτερα για τον καθορισμό της τεκτονικής θέσης των στρωμάτων (κανονική ή αναστραμμένη), είναι η καλή γνώση των υπερκειμένων και των υποκειμένων στρωμάτων. Στα υποκείμενα απαντούν συνήθως σχιστές άργιλοι που περιέχουν οριζοντίως και διαγωνίως εκτεινόμενες ριζικές ίνες και διακλαδώσεις του ριζικού συστήματος των φυτών, γεγονός που καθιστά αυτά τα πετρώματα εύθρυπτα και χωρίς συνοχή. Το πάχος αυτών των στρωμάτων κυμαίνεται από μερικά εκατοστά έως και δύο μέτρα. Η μελέτη αυτών των στρωμάτων είναι θεμελιώδους σημασίας για την αναζήτηση αλλά και για την εξόρυξη, καθώς σε περίπτωση που για οποιοδήποτε λόγο ένα κοίτασμα τυφλώνεται, η συνέχεια αυτών των στρωμάτων αποτελεί δείκτη και ίχνος αναζήτησης του κοιτάσματος. Τα ριζικά υπολείμματα τριτογενούς προέλευσης είναι ινώδη και πολύ ψιλά. Τα άμεσα υπερκείμενα στρώματα (στρώματα οροφής) ενός κοιτάσματος γαιανθράκων αποτελούνται από λεπτές στρώσεις χουμικών αργίλων που διατηρούν ακόμη τα αποτυπώματα των φύλλων. Μπορεί ακόμη να είναι και βιτουμινούχοι σχιστόλιθοι, οι οποίοι αυταναφλέγονται όταν έρθουν σε επαφή με τον ατμοσφαιρικό αέρα στις αποθέσεις. Αυτά τα στρώματα σχηματίζονται όταν τα νερά του υδροφόρου ορίζοντα κατακλύζουν τα έλη σχηματισμού και δημιουργούν λιμναίες συνθήκες Σημαντικοί ιχνηλάτες κοιτασμάτων γαιάνθρακα Σε περιοχές όπου υπάρχουν πολυάριθμα κοιτάσματα γαιανθράκων, τα οποία μάλιστα είναι πτυχωμένα και τεκτονικά επηρεασμένα σε τέτοιο βαθμό ώστε να έχουν τεμαχιστεί και διασκορπιστεί, η αναγνώριση και ο 29-36

37 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία εντοπισμός χαρακτηριστικών ενδείξεων και ιχνών αποτελεί πολύτιμο εργαλείο προσανατολισμού. Τέτοιοι πολύτιμοι ιχνηλάτες είναι, εκτός από τα φυτικά απολιθώματα παλαιοβοτανικής υφής, τα οποία αποτελούν δείκτες ολόκληρης ακολουθίας στρωμάτων και όχι μόνο μεμονωμένων σωμάτων και κάποια χαρακτηριστικά συγγενετικά πετρώματα που απαντούν στο ευρύτερο περιβάλλον των στρωμάτων. Σε αυτά τα πετρώματα ανήκουν κατά κύριο λόγο τα θαλάσσια ιζήματα - δείκτες, τα οποία σχηματίστηκαν κατά το πλημμύρισμα παραθαλάσσιων ελών με θαλάσσιο νερό. Στην περιοχή του Ruhr στη Γερμανία εντοπίστηκαν 10 τέτοιοι ορίζοντες-ιχνηλάτες που χαρακτηρίζουν 60 περίπου ανθρακοφόρα σώματα. Στην περιοχή του Aachen της Γερμανίας και τη Ν. Σιλεσία (Γερμανία) χρησιμοποιούνται επίσης ιχνηλάτες θαλάσσια στρώματα για τον προσανατολισμό των κοιτασμάτων. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι αυτοί οι ορίζοντες ιχνηλάτες δεν είναι ομοιόμορφοι σε μια περιοχή, αλλά εμφανίζουν διαφορές τόσο στον αριθμό όσο και στα απολιθώματά τους. Μικρότερης τοπικής σημασίας είναι τα οστρακοφόρα στρώματα γλυκού νερού, περιορισμένης έκτασης. Στις ανθρακοφόρες λεκάνες που βρίσκονται μακριά των θαλασσών, ανάμεσα σε ορεινά συμπλέγματα, τα στρώματα ηφαιστειακών τόφφων αποτελούν τους καλύτερους ιχνηλάτες των ανθρακούχων στρωμάτων, διότι σχηματίστηκαν συγχρόνως με τα στρώματα των γαιανθράκων. Η υδρολυτική αποσάθρωση των τόφφων δημιουργεί αργιλικά στρώματα ή μπεντονίτες. Άμμοι, ψαμμίτες και κροκαλοπαγή τοπικής εξάπλωσης δεν ενδείκνυνται ως ιχνηλάτες εκτεταμένων συσχετισμών που αφορούν ανθρακοφόρα κοιτάσματα. Αντιθέτως, ψιλοί άμμοι από ηφαιστειακά γυαλιά, χαρακτηρίζονται ως σκούροι βιτουμενούχοι δολομίτες και μπορούν να εκληφθούν ως δείκτες. Πολλές φορές τα στρώματα των ηφαιστειακών τόφφων τέμνουν λοξά τα ανθρακοφόρα στρώματα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η χρονολόγηση των στρωμάτων γίνεται με βάση την ηλικία των τόφφων και όχι των γαιανθράκων. Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι σε πολλές περιπτώσεις τα στρώματα ιχνηλάτες είναι πιο κατάλληλα για την αξιολόγηση, παρά τα ίδια τα κοιτάσματα. Τα σώματα των κοιτασμάτων συχνά διασπόνται, διακλαδίζονται, πτυχώνονται, συμπιέζονται και αποκόπτονται, ανάλογα με τις τεκτονικές επιδράσεις ή ακόμη και με την ταχύτητα βύθισης της λεκάνης σχηματισμού στα διάφορα σημεία της. Ανθεκτικότερα όλων είναι τα στρώματα κηρανθράκων

38 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Χώρος και χρόνος σχηματισμού γαιανθράκων Τα πολυάριθμα κοιτάσματα γαιανθράκων που σχηματίστηκαν από παράκτια έλη, χαρακτηρίζονται «παράλια κοιτάσματα». Αυτά χαρακτηρίζονται από τους θαλάσσιους ορίζοντες, ως προϊόντα επεισοδιακών θαλάσσιων πλημμυρών. «Λιμναίες» ονομάζονται οι ηπειρωτικές, συχνά ενδοορεινές λεκάνες ανθρακογένεσης, στις οποίες απαντούν ιζήματα γλυκού νερού. Παραδείγματα παράλιων ευρωπαϊκών κοιτασμάτων είναι τα κοιτάσματα του Aachen, της κοιλάδας του Ruhr, της Morava Ostrava, της λεκάνης του νότιου Ρήνου και της Βαυαρίας. Λιμναίας προέλευσης είναι τα κοιτάσματα του Saar, της Σαξονίας, της Ν. Σιλεσίας και της Ν. Βοημίας. Μεταξύ των μεγάλων λιμναίων λιγνιτικών κοιτασμάτων της Ευρώπης περιλαμβάνονται τα εοκαινικά κοιτάσματα της Λειψίας, της Β. Βοημίας, των αυστριακών Άλπεων, των ενδοαλπικών τριτογενών λεκανών και τα περισσότερα κοιτάσματα της Ελλάδος. Οι διάφοροι τύποι των κοιτασμάτων των γαιανθράκων χαρακτηρίζονται βάσει των γεωτεκτονικών δεδομένων των χώρων απόθεσής τους. Έτσι διακρίνουμε: 1. Γεωνυγκλινικές εξωτερικές λεκάνες. Αυτές χαρακτηρίζονται από ηπειρωτικά ανθρακοφόρα στρώματα, πάχους χιλιάδων μέτρων με επανειλημμένες θαλάσσιες στρώσεις. Τα ανθρακοφόρα στρώματα είναι πολυάριθμα και εκτεταμένα (πολλές εκατοντάδες km 2 ), αλλά έχουν πολύ μικρό πάχος (1-2 m). Είναι έντονα πτυχωμένα και τεκτονισμένα, με την τεκτονική να γίνεται ηπιότερη όσο απομακρύνεται κανείς από το όριο της λεκάνης. 2. Ενδοορινές λεκάνες. Πρόκειται για βυθίσματα και λεκάνες, οι οποίες σχηματίστηκαν σε ορογενείς περιοχές κατά τα τελευταία στάδια της ορογένεσης, κατακρημνίστηκαν και σχημάτισαν κοιλότητες, γέμισαν με ηπειρωτικά υλικά και διήνυσαν αλλεπάλληλους κύκλους σχηματισμού ελών. Η βάση αποτελείται συνήθως από ένα παχύ στρώμα γαιάνθρακα. Ο αριθμός των στρωμάτων σπάνια ξεπερνάει τα 10, ενώ το πάχος τους φθάνει συχνά τα 100m και εμφανίζουν ελαφριά πτύχωση. Γνωστά κοιτάσματα αυτού του τύπου βρίσκονται στη Γερμανία, την Αυστρία, την Κροατία, τη Σλοβενία, την Ελλάδα κ.α. 3. Πλατφόρμες (καλύμματα σταθερών ασπίδων). Τα ανθρακοφόρα στρώματα αυτών των ακολουθιών εμφανίζουν ένα σχετικά μικρό συνολικό πάχος μερικών εκατοντάδων μέτρων. Ο αριθμός των στρωμάτων είναι επίσης μικρός και το πάχος τους αρκετά μεγάλο. Τα στρώματα είναι συνήθως επίπεδα, οριζόντια και ιδιαίτερα εκτεταμένα. Τα κοιτάσματα αυτού του τύπου είναι αποτέλεσμα αργών και εκτεταμένων ηπειρογενετικών καταβυθίσεων, τεκτονικά σταθερών περιοχών, όπως 29-38

39 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία παλαιών ασπίδων. Τέτοια κοιτάσματα υπάρχουν στη Ν. Αφρική, την Ινδία, την Αυστραλία, τη Σιβηρία και τις Η.Π.Α. 4. Φυσικά υπάρχουν και οι ενδιάμεσοι τύποι όλων των παραπάνω κοιτασμάτων. Ο σχηματισμός των γαιανθράκων ξεκίνησε γενικά κατά το λιθανθρακοφόρο. Ωστόσο υπάρχουν δύο μεγάλες περίοδοι των γεωλογικών αιώνων, κατά τις οποίες σχηματίστηκε σχεδόν το σύνολο των παγκοσμίων αποθεμάτων. Άνω λιθανθρακοφόρο έως πέρμιο αφενός, και άνω κρητιδικό έως τριτογενές αφετέρου. Στην πρώτη περίοδο σχηματίστηκε το 43% των παγκοσμίων αποθεμάτων, ενώ στη δεύτερη το 51%. Τα κοιτάσματα αυτών των περιόδων δεν σχετίζονται με ηφαιστειακή δραστηριότητα, αλλά με ορογένεση, καθώς οι περίοδοι έντονης ορογένεσης είναι και περίοδοι αυξημένου σχηματισμού στρωμάτων γαιανθράκων. Το πάχος των κοιτασμάτων είναι μεγάλο, διότι η ταχύτητα καταβύθισης ήταν πολύ αργή. Εικ : Περίοδοι σχηματισμού γαιανθράκων σε μεσογειακές χώρες, σε συσχέτιση με περιόδους επίκλυσης της θάλασσας (κατά Lüttig, 1978). Στην περιοχή της Μεσογείου διαπιστώθηκαν σαφείς συσχετισμοί μεταξύ φαινομένων επίκλυσης της θάλασσας και σχηματισμού κοιτασμάτων γαιανθράκων. Η επίκλυση της θάλασσας προκαλεί και 29-39

40 29. Γεωλογία Γαιανθράκων άνοδο του υδροφόρου ορίζοντα στην ξηρά. Αυτές οι περίοδοι, σε συνδυασμό με κατάλληλο κλίμα, αποτελούν ευνοϊκές συνθήκες σχηματισμού ελών, τυρφώνων και κατ επέκταση γαιανθράκων. Έτσι σχηματίστηκαν τα μεγάλα κοιτάσματα στην Τουρκία, την Ελλάδα και την Ιταλία (εικ ). Ακόμη και σε περιόδους απόσυρσης της θάλασσας σχηματίζονται κοιτάσματα γαιανθράκων. Ο εντοπισμός όμως αυτών των ελπιδοφόρων περιοχών, απαιτεί ακριβείς και λεπτομερείς βιοστρατιγραφικές μελέτες και στοχευμένες έρευνες των βιολογικών φάσεων των αποθέσεων σε θάλασσα και ξηρά Η διεργασία ενανθράκωσης Η διαδικασία που οδηγεί από το φυτό στον γαιάνθρακα στη φύση ονομάζεται ενανθράκωση. Η εξανθράκωση διαφέρει από την ενανθράκωση, καθώς είναι μια μεταβολή που συμβαίνει υπό την επίδραση θερμικής ενέργειας. Η ενανθράκωση ολοκληρώνεται σε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση, η τυρφοποίηση, πραγματοποιείται στην επιφάνεια της γης και είναι καθαρά μια βιοχημική διεργασία. Η δεύτερη φάση εξελίσσεται στο εσωτερικό της γης, σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βάθος και είναι μία γεωχημική διεργασία. Η πρώτη φάση μπορεί να αναπαρασταθεί στο εργαστήριο, μέσω εμβολιασμού της φυτικής ύλης με μύκητες ή βακτήρια. Η διεργασία της δεύτερης φάσης όμως δε μπορεί να παρατηρηθεί λεπτομερώς και πλήρως εργαστηριακά, καθώς συμβαίνει σε πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα υπό την επίδραση «αντιδραστηρίων» ή χωρίς αυτά. Είναι μια διεργασία που μπορεί να αναπαρασταθεί μόνο μερικώς εργαστηριακά, ώστε απλά να γίνει κατανοητή και όχι για να επαναλαμβάνεται στο εργαστήριο σε όλο της το εύρος. Είναι το αντίστοιχο της διαγένεσης και της μεταμόρφωσης χαμηλού βαθμού που συναντάμε στην πετρογραφία. Τα αποφασιστικά θεμέλια της γνώσης της διεργασίας ενανθράκωσης τέθηκαν το 1950 από τους Γερμανούς R. και M. Teichmüller Η βιοχημική διεργασία της τυρφοποίησης Παραπάνω αναφέρθηκε ότι οι νεκροί φυτικοί οργανισμοί, κάτω από αναερόβιες συνθήκες και υπό την επίδραση μιας μικροχλωρίδας μικροβίων και μυκήτων, αποσυντίθεται σχετικά γρήγορα. Με αυτόν τον τρόπο μετατρέπεται σε μεγάλο βαθμό και η κυτταρίνη. Η λιγνίνη είναι ανθεκτικότερη και προστατεύει τα φυτικά κύτταρα. Γι αυτό το λόγο το ξύλο αντέχει περισσότερο από τα φυτά. Η σουβερίνη (φελλίνη) διασπάται ακόμη δυσκολότερα, ενώ οι κηροί και οι ρητίνες δεν 29-40

41 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία μεταβάλλονται καθόλου. Τα πρωτοβιτούμενα όπως οι σπόροι, η γύρη, οι επιεφυμενιδικοί κηροί κ.α. διατηρούνται τόσο δομικά όσο και υλικά. Τα ευδιάλυτα χουμικά οξέα και τα άλατά τους σχηματίζουν τα ονομαζόμενα συνοδά χουμικά συστατικά. Αρχίζει η διάλυση, το μαλάκωμα και η υγροποίηση της φυτικής μάζας. Η οξιά τυρφοποιείται ευκολότερα και ακολουθούν το έλατο, η βελανιδιά και το πεύκο. Με την επίδραση του χρόνου, δηλαδή του βάθους, αυξάνεται ο βαθμός αποσύνθεσης της ξύλινης μάζας. Στα πάνω στρώματα σχηματίζεται μία τύρφη τύπου γκαζόν, η οποία διατηρεί τα φυτικά συστατικά της και εμφανίζει ινώδη δομή. Χαμηλότερα σχηματίζεται μια αδρότερη τύρφη, η οποία περιέχει τα δυσκόλως διασπώμενα συστατικά, μεταξύ αυτών και μαλακωμένη ξύλινη ύλη. Πολλά υλικά έχουν εδώ ήδη χάσει τη δομή τους. Διατηρούνται ακόμη η γύρη, οι σπόροι και κάποια είδη ξυλείας. Χουμικά οξέα διαποτίζουν τα πάντα και στους πόρους σχηματίζεται ο ντοππλερίτης, ένα κολλοειδές χουμικό άλας. Σε ξηρή μορφή ο ντοππλερίτης εμφανίζει οστρακοειδή θραυσμό. Σε ωριμότερους άνθρακες δεν υπάρχουν πλέον οι φυτικές δομές. Βάσει λοιπόν των δύο διαφορετικών στρωμάτων τύρφης, θα έπρεπε να παράγονται και δύο διαφορετικά είδη γαιάνθρακα. Στα πάνω στρώματα λιγότερο διασπασμένος και χουμοποιημένος, στα κάτω περισσότερο. Στην πραγματικότητα όμως αυτό παρατηρείται πολύ σπάνια. Οι αναλύσεις γαιανθράκων από όλα τα στρώματα ενός κοιτάσματος είναι παρόμοιες. Η μικροχλωρίδα, η οποία επιφέρει την τυρφοποίηση είναι αναερόβια, δηλαδή αναπτύσσεται σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Το οξυγόνο που χρειάζεται το απορροφά από την οργανική ύλη, προκαλώντας τη χημική της αναγωγή. Επίσης έχει αποδειχθεί ότι κατά την βιοχημική διάσπαση σημαντικό ρόλο παίζουν και υδρολυτικές διεργασίες. Όμως στην όλη διαδικασία συμμετέχουν και αερόβιοι μικροοργανισμοί, οι οποίοι οξειδώνουν το υδρογόνο του περιβάλλοντος και επιφέρουν έτσι έναν έμμεσο εμπλουτισμό του άνθρακα. Σε κάποια φάση, λιγότερο ή περισσότερο προχωρημένη, διακόπτεται η διαδικασία της τυρφοποίησης λόγω απόθεσης ιζημάτων, είτε από τρέχοντα ύδατα, είτε από ύδατα λόγω καταβύθισης και πλημμύρας της τύρφης. Τα υπερκείμενα στρώματα των ιζημάτων συνθλίβουν την τύρφη και συμπιέζουν τα νερά που περιέχει, κυριολεκτικά την αφυδατώνουν. Οι βιοχημικές διεργασίες διάσπασης διακόπτονται και ξεκινά η ενανθράκωση. Η ενανθράκωση συνδέεται με μείωση του όγκου. Κατά τη μετάβαση από το στάδιο της τύρφης στο στάδιο του λιγνίτη, το πάχος των στρωμάτων μειώνεται κατά το ήμισυ, ενώ στο λιθάνθρακα μένει μόνο το 25% του αρχικού πάχους της τύρφης

42 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Η γεωχημική φάση της ενανθράκωσης Ο καθορισμός του βαθμού ενανθράκωσης Ο πραγματικός βαθμός ωρίμανσης ενός γαιάνθρακα εξαρτάται από τη γεωχημική φάση της ενανθράκωσης. Μία γενική ταξινόμηση του βαθμού ωρίμανσης προσφέρουν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των διαφόρων ειδών των γαιανθράκων, όπως αυτά αναφέρθηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια. Σε πολλές περιπτώσεις εξάγουμε τα συμπεράσματά μας, για τα γεωλογικά αίτια της γεωχημικής ενανθράκωσης, μόνο βάσει του είδους και της χωρικής και στρατιγραφικής θέσης των στρωμάτων του ερευνούμενο γαιάνθρακα. Παράλληλα, πραγματοποιούνται εντατικά εργαστηριακά πειράματα για να κατανοηθεί πληρέστερα ο βαθμός ωρίμανσης (ενανθράκωσης). Στην περίπτωση των λιγνιτών σημαντικό κριτήριο αποτελεί η περιεκτικότητα σε νερό. Έρευνες έδειξαν ότι η περιεκτικότητα των λιγνιτών μειώνεται από 1 3% ανά 100m βάθους σχηματισμού. Για τους λιθάνθρακες παρατηρείται μια θετική συσχέτιση του βαθμού ωρίμανσης, με την μείωση της περιεκτικότητας σε νερό του βιτρίτη. Διαφοροποιήσεις της περιεκτικότητας σε νερό παρατηρούνται ακόμη και μεταξύ ανώτερων και των κατώτερων τμημάτων του ίδιου κοιτάσματος. Συγκεκριμένα, στα ανώτερα στρώματα η περιεκτικότητα φθάνει το 10%, ενώ στα κατώτερα αγγίζει μόλις το 2%. Στην Ευρώπη, βασικό κριτήριο καθορισμού του βαθμού ενανθράκωσης των λιθανθράκων αποτελεί η περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά. Σε προηγούμενα κεφάλαια αναφέρθηκε ότι τα επιμέρους macerals εμφανίζουν διαφορετική περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά. Για να αποκλειστούν κάθε είδους αλληλεπιδράσεις από τη διαφορετική πετρογραφική σύσταση των στρωμάτων, κατά τον καθορισμό του βαθμού ενανθράκωσης ενός δείγματος, αποφασίστηκε οι μετρήσεις να γίνονται πάντα και μόνο σε macerals βιτρινίτη. Αντίθετα, στις Η.Π.Α. για τον καθορισμό του βαθμού ωρίμανσης χρησιμοποιείται ο δεσμευμένος άνθρακας, ένα μέγεθος αντιστρόφως ανάλογο των πτητικών συστατικών. Συνεπώς, όσο λιγότερα πτητικά συστατικά και όσο περισσότερο δεσμευμένο άνθρακα περιέχει ένας λιθάνθρακας, τόσο ωριμότερος είναι. Ένας άλλος κανόνας μας διδάσκει ότι με αύξηση του βάθους κατά 100m, παρατηρείται μείωση των πτητικών συστατικών κατά 1.4%. Ως δείκτης χρησιμοποιείται επίσης και η περιεκτικότητα σε στοιχειακό άνθρακα. Εδώ και σαράντα περίπου έτη χρησιμοποιείται φωτομετρικά ο συντελεστής ανάκλασης του βιτρινίτη, ως δείκτης του βαθμού ενανθράκωσης. Ο συντελεστής ανάκλασης αυξάνεται σταδιακά από 0.3 στους λιγνίτες στο 4.0 στον ανθρακίτη. Η αύξηση αυτή δεν είναι γραμμική, αλλά είναι πιο απότομη στα ανώτερα στάδια της 29-42

43 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία ενανθράκωσης. Κατά μέσο όρο παρατηρείται μια αύξηση της τιμής του συντελεστή ανάκλασης κατά 0.2, με κάθε μείωση της περιεκτικότητας σε πτητικά συστατικά κατά 5%. Όμως ακριβείς τιμές του βαθμού ενανθράκωσης λαμβάνονται μέσω του καθορισμού της χημικής και φυσικής μικροδομής των γαιανθράκων. Στους λιγνίτες παρατηρείται μια μείωση του μεγέθους των πόρων όσο αυξάνεται ο βαθμός ωριμότητάς τους. Όμως, το ακριβές μέτρο βαθμονόμησης αποτελεί η περιεκτικότητα σε αρωματικό άνθρακα. Οι ενώσεις του Η και του Ο διαφεύγουν σταδιακά ως πτητικά συστατικά, με αυξανόμενο βαθμό ωρίμανσης. Η μικροδομή μεταβάλλεται βήμαβήμα, καθώς τα μεγαλομόρια (μικκύλια) διατάσσονται σταδιακά παράλληλα, μεταβαίνοντας τελικά στη φυλλώδη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος του γραφίτη. Δεδομένου ότι οι αναλύσεις της μικροδομής απαιτούν λεπτομερή και απαιτητική εργασία, για τον καθορισμό του βαθμού ενανθράκωσης, βασιζόμαστε πρακτικά σήμερα, για τους λιγνίτες κυρίως στην περιεκτικότητά τους σε νερό και για τους λιθάνθρακες στην περιεκτικότητά τους σε πτητικά συστατικά του βιτρινίτη. Για την αντιστοίχιση του βαθμού ενανθράκωσης με τις γεωλογικές συνθήκες, δημιουργούμε συνήθως χάρτες και γεωλογικά προφίλ, ενώνοντας άνθρακες ίδιου βαθμού ενανθράκωσης μέσω γραμμών. Οι καμπύλες που σχηματίζονται ονομάζονται ισοανακλάσεις. Γενικά ισχύει ότι με αυξανόμενη ηλικία σχηματισμού, αυξάνεται και ο βαθμός ενανθράκωσης Τα αίτια της ενανθράκωσης Οι παράγοντες που θεωρούνται υπεύθυνοι για την ενανθράκωση είναι ποικίλοι: ο χρόνος, διότι οι παλαιότεροι γαιάνθρακες είναι πιο ώριμοι από τους νεώτερους η θερμοκρασία, διότι οι γαιάνθρακες που βρίσκονται κοντά σε μαγματικά σώματα είναι συχνά πιο εξευγενισμένοι και με αυξανόμενο βάθος αυξάνεται και ο βαθμός ενανθράκωσης η πίεση των υπερκειμένων στρωμάτων, διότι αυτή συμβαδίζει με το βάθος των γαιανθράκων η τεκτονική πίεση, διότι οι πτυχωμένοι γαιάνθρακες είναι συχνά ωριμότεροι από άλλους ίδιας ηλικίας, αλλά μη πτυχωμένους. Για όλα τα παραπάνω υπάρχουν προφανώς και οι εξαιρέσεις. Η δυσκολία βρίσκεται στην αναγνώριση της ακριβούς επίδρασης κάθε παράγοντα ξεχωριστά, καθώς είναι αδύνατο να μεταβάλλει κανείς τους υπόλοιπους παράγοντες, διατηρώντας συγχρόνως τον ένα σταθερό. Όμως είναι σχεδόν βέβαιο, ότι οι σημαντικότεροι παράγοντες που 29-43

44 29. Γεωλογία Γαιανθράκων καθορίζουν το βαθμό ενανθράκωσης είναι η θερμοκρασία και η διάρκεια της επίδρασής της Η επίδραση του χρόνου στο βαθμό ενανθράκωσης Παλαιότερα πίστευε κανείς ότι κυρίως η ηλικία ενός κοιτάσματος καθόριζε το βαθμό ενανθράκωσής του. Όμως σύντομα αποδείχθηκε ότι όλα τα κοιτάσματα γαιανθράκων του παλαιοζωικού και του μεσοζωικού δεν ήταν λιθάνθρακες, ούτε όλα τα κοιτάσματα του τριτογενούς είναι λιγνίτες. Εξαιτίας αυτής της διαπίστωσης άρχισαν οι ερευνητές να αναζητούν επιπλέον κριτήρια αξιολόγησης. Μεταξύ άλλων κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι παλαιότεροι γαιάνθρακες είχαν την ευκαιρία κατά την εξέλιξή τους να βρεθούν συχνότερα υπό την επίδραση άλλων παραγόντων, όπως της τεκτονικής δράσης, της καταβύθισης και της ορογένεσης και έτσι εξευγενίστηκαν σε μεγαλύτερο βαθμό από ότι οι νεότεροί τους. Η ενανθράκωση είναι μια εξώθερμη διαδικασία, η οποία όταν ξεκινήσει συνεχίζει αργά την εξέλιξή της. Κάτω από αυξημένη θερμοκρασία, η διεργασία αυτή επιταχύνεται. Έτσι εξηγείται το γεγονός ότι υπάρχουν λιγνίτες ηλικίας άνω λιθανθρακοφόρου, οι οποίοι δεν ωρίμασαν ποτέ στο βαθμό του λιθάνθρακα διότι δεν βρέθηκαν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Αντίθετα, νεώτερα κοιτάσματα ωρίμασαν ταχύτερα επειδή βρέθηκαν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Εικ : Η ενανθράκωση σε σχέση με τη διάρκεια της επίδρασης της θερμότητας: Η μεγαλύτερη διάρκεια της επίδρασης της θερμοκρασίας οδηγεί σε μεγαλύτερο βαθμό ενανθράκωσης (κατά R. και M. Teichmüller)

45 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Τέλος διαπιστώθηκαν διαφορές στο βαθμό ενανθράκωσης μεταξύ κοιτασμάτων ίδιου βάθους, τα οποία όμως καταβυθίστηκαν σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα. Τα ταχύτερα καταβυθιζόμενα κοιτάσματα, εμφανίζουν μικρότερο βαθμό ωρίμανσης από τα κοιτάσματα των οποίων η καταβύθιση διήρκεσε περισσότερο (εικ ) Η επίδραση της θερμοκρασίας στο βαθμό ενανθράκωσης Η εξευγενιστική δράση της θερμοκρασίας επί των γαιανθράκων δεν αμφισβητείται πλέον από κανέναν. Αντίθετα, είναι εμφανής η αναβάθμιση των γαιανθράκων που υπέστησαν ήπια θερμική μεταμόρφωση λόγω της επαφής τους με πλουτώνια πετρώματα. Μάλιστα σε αυτές τις περιπτώσεις δεν παίζει ρόλο η ωριμότητα του μητρικού γαιάνθρακα, αλλά η απόσταση από τον πλουτωνίτη. Οι θερμοκρασίες που παρατηρούνται κατά τη μεταμόρφωση επαφής στην άλω ενός περιδοτιτικού μαγματίτη φθάνουν ακόμη και τους 600 ο C. Στο κοίτασμα Präsident της κοιλάδας του Ruhr (εικ ) αποδείχθηκε ότι η θερμοκρασία έφθασε τοπικά τους 1000 ο C. Όμως η διάρκεια επίδρασής της ήταν σχετικά μικρή, καθώς επρόκειτο για μία φλεβική διείσδυση, η οποία λόγω του μικρού της μεγέθους ψήχθηκε γρήγορα. Γενικά ισχύει ότι το εύρος της ζώνης θερμικής δράσης μιας διείσδυσης, ισούται με το μισό περίπου του πάχους της. Χοανοειδείς διεισδύσεις δίνουν μεγαλύτερες ζώνες εξευγενισμού, οι οποίες έχουν προφανώς μεγαλύτερη οικονομική σημασία. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το κοίτασμα Handlova στη Σλοβακία, όπου ένας διεισδυμένος λακκόλιθος μετέτρεψε ένα μεγάλο τμήμα του λιγνίτη σε ημιπισσούχο λιθάνθρακα, καθώς και τα κοιτάσματα του Corcobade των Η.Π.Α. και του Norilsk της Δ. Σιβηρίας. Στην επιφάνεια επαφής σχηματίζεται συνήθως ένα περίβλημα οπτάνθρακα πάχους μερικών εκατοστών. Ωστόσο, είναι γνωστές περιπτώσεις κοιτασμάτων επαφής με εκατομμύρια τόνους αποθέματα. Αξιοσημείωτο είναι ότι υπάρχουν γαιάνθρακες που ενώ στην επαφή τους με πλουτωνίτες εμφανίζουν ποσοστά οπτάνθρακα, σε συνθήκες εργαστηρίου δε μετατρέπονται σε οπτάνθρακα. Αυτό συμβαίνει πιθανότατα επειδή σε πραγματικές συνθήκες τα βιτούμενα τήκονται, ενώ σε συνθήκες εργαστηρίου εξατμίζονται, όπως αποδεικνύεται και από τις αναλύσεις πτητικών συστατικών. Αυτός ο ισχυρισμός ενισχύεται και από το γεγονός ότι στις διαθλάσεις των γειτονικών πετρωμάτων εντοπίζονται ίχνη διεσταλμένων βιτούμενων. Τόσο οι φυσικοί οπτάνθρακες, όσο και οι γαιάνθρακες μεταμόρφωσης επαφής, εμφανίζουν μεγαλύτερα ποσοστά στάχτης από ότι οι αμετάβλητοι γαιάνθρακες. Η αύξηση της στάχτης οφείλεται αφενός μεν στη μείωση της περιεκτικότητας σε νερό και πτητικά συστατικά, 29-45

46 29. Γεωλογία Γαιανθράκων αφετέρου στην προσθήκη, εν μέρει ανθρακικών και εν μέρει πυριτικών ορυκτών. Πολύ συχνά τα διεισδυμένα σώματα αποσαθρώνονται στη ζώνη επαφής, με συνέπεια να μεταναστεύουν ορυκτολογικά συστατικά προς το γαιάνθρακα και να προκαλούν αυξημένα ποσοστά στάχτης. Εικ : Η ζώνη επαφής του κοιτάσματος Präsident, με το φυσικό οπτάνθρακα (κατά Teichmüller & Weber 1978). Εικ : Ταύτιση ζωνών ενανθράκωσης με θερμικές ζώνες σχηματισμού ορυκτών. (κατά F. M. Trotter)

47 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Η μελέτη του συντελεστή ανάκλασης μικρών σωματιδίων βιτρίνη, διευκολύνει συχνά την αναγνώριση συνθηκών μεταμόρφωσης επαφής. Επίσης από την κατανομή των πτητικών συστατικών σε στρώματα γαιανθράκων, αποκαλύφθηκε η ύπαρξη μαγματικών εστιών κάτω από αυτά. Επίσης εντοπίστηκε η συσχέτιση διαφόρων ζωνών ενανθράκωσης με αντίστοιχες θερμικές ζώνες σχηματισμού ορυκτών, πάνω από μια γρανιτική εστία (εικ ). Οι ισχυρισμοί αυτοί επαληθεύονται με γεωφυσικές αναλύσεις. Οι θερμοκρασίες ενανθράκωσης κυμαίνονται μεταξύ 120 και 170 ο C, διότι κάποιες ρητίνες χρωματίζονται σε θερμοκρασία ο C, ενώ οι σπόροι και η γύρη εμφανίζουν μικροσκοπικά εμφανείς μετατροπές πάνω από τους 200 ο C. Το παραπάνω φάσμα θερμοκρασίας επιβεβαιώνεται και από τη γεωθερμική βαθμίδα (εικ α), σε συσχέτιση με το βάθος εντοπισμού των κοιτασμάτων Η επίδραση των υπερκείμενων στρωμάτων Το ότι η ωριμότητα ενός γαιάνθρακα αυξάνεται με το βάθος, έχει αναφερθεί επανειλημμένα στα προηγούμενα κεφάλαια. Έτσι παρατηρούμε σε διάφορες ακολουθίες στρωμάτων, αύξηση του βαθμού ενανθράκωσης από πάνω προς τα κάτω. Δύο κανόνες διέπουν αυτήν τη σχέση: Ο κανόνας του Schürmann, που συσχετίζει αρνητικά το βάθος των κοιτασμάτων με την περιεκτικότητα των λιγνιτών σε νερό (μεγάλο βάθος = μικρή περιεκτικότητα νερού) και ο κανόνας του Hilt, ο οποίος συσχετίζει επίσης αρνητικά το βάθος με την περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά των λιθανθράκων (μεγάλο βάθος = λίγα πτητικά συστατικά). Η μείωση των ποσοστών των πτητικών συστατικών δεν συμβαίνει γραμμικά σε όλο το εύρος της καταβύθισης των λιθανθράκων, αλλά γίνεται πιο αργή όσο μεγαλώνει το βάθος. Γενικά, η παραπάνω μείωση κυμαίνεται από 1 1.6% ανά 100m βάθος. Όταν τα στρώματα του κοιτάσματος βυθίζονται με μεγάλη κλίση, η μείωση είναι ακόμη μικρότερη και κυμαίνεται με %. Αυτό οφείλεται πιθανότατα στο γεγονός ότι τα στρώματα εξευγενίστηκαν σε μεγάλο βαθμό, όσο ακόμη ήταν σε οριζόντια θέση. Έτσι, όταν αργότερα αυτά διαταράχθηκαν τεκτονικά, είχε ήδη συμβεί σε μεγάλο βαθμό η ενανθράκωση, με αποτέλεσμα να έχει διαφύγει το μεγαλύτερο τμήμα των πτητικών τους συστατικών. Η διαβάθμιση της ενανθράκωσης δεν είναι παντού η ίδια. Αυτό αποδεικνύεται τόσο από μετρήσεις πτητικών συστατικών, όσο και από μετρήσεις των συντελεστών ανάκλασης των βιτρινιτών σε κοιτάσματα διαφόρων περιοχών, ίδιου όμως βάθους. Επειδή όμως η πίεση των υπερκειμένων εκφράζεται σε όλη τη γη ομοιόμορφα και γραμμικά σε 29-47

48 29. Γεωλογία Γαιανθράκων σχέση με το βάθος, προκύπτει ότι η αύξηση του βαθμού ενανθράκωσης με το βάθος αποδίδεται κυρίως στην αυξανόμενη θερμοκρασία και όχι στη πίεση των υπερκειμένων. Εικ α: Η απεικόνιση της γεωθερμικής βαθμίδας 29-48

49 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Η επίδραση της τεκτονικής πίεσης Μελέτες που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορα κοιτάσματα γαιανθράκων της γης, έδειξαν ότι τα πτυχωμένα τμήματά τους εμφανίζουν μεγαλύτερο βαθμό ενανθράκωσης από τα επίπεδα. Χαρακτηριστικό ευρωπαϊκό παράδειγμα αποτελεί το κοίτασμα Morava Ostrava της Τσεχίας, το οποίο στο δυτικό περιθώριο της λεκάνης της Ν. Σιλεσίας, όπου τα στρώματα είναι πτυχωμένα, εμφανίζει διάφορους τύπους λιθανθράκων, ενώ στο ανατολικό-επίπεδο τμήμα λιγνίτες. Αντίστοιχα παραδείγματα για την αμερικανική ήπειρο είναι τα κοιτάσματα της British Columbia, της Dakota και της Alberta, τα οποία στα επίπεδα τμήματά τους φιλοξενούν λιγνίτες, ενώ στα πτυχωμένα περιθώρια των Βραχωδών Ορέων εμφανίζουν λιθάνθρακες. Στην Ασία σε περιοχές των Ιμαλαΐων παρατηρούνται επίσης παρόμοια φαινόμενα. Τα παραπάνω παραδείγματα αποτέλεσαν για πολλές δεκαετίες τη βάση των θεωριών που ήθελαν τη σημαντική επίδραση της τεκτονικής πίεσης στο βαθμό ενανθράκωσης. Ωστόσο δεν πρέπει να μας διαφεύγει ότι τα πτυχωμένα σημεία αποτελούν και τα πιο παχιά στρώματα, με συνέπεια να μην παραβλέπεται ο ρόλος της πίεσης των υπερκειμένων και κατ επέκταση ο ρόλος της θερμοκρασίας λόγω βάθους. Από φυσικοχημικής σκοπιάς υποστηρίζεται ότι η πίεση μπορεί ακόμη και να παρεμποδίσει την ενανθράκωση, διότι συμπιέζει τους πόρους. Οι διατμητικές τάσεις και η σχιστοποίηση είναι τα φαινόμενα που ευνοούν το σχηματισμό γραφίτη. Σε κάθε περίπτωση, δεν μπορεί κανείς να μην αποδεχτεί ότι η τεκτονική πίεση μπορεί να συμπιέσει τα λιγνιτικά στρώματα και να μειώσει την περιεκτικότητά τους σε νερό. Η εξήγηση ότι η θερμότητα τριβής που προκύπτει κατά την πτύχωση των στρωμάτων μπορεί να θεωρηθεί υπεύθυνη για κάποιες μεταβολές, δεν έχει τεκμηριωθεί επαρκώς. Σε γενικές γραμμές δε μπορεί κανείς να αποκλείσει εκ των προτέρων την επίδραση της τεκτονικής πίεσης. Αντίθετα, προτείνεται η διεξαγωγή ερευνών σε μικροτεκτονικό επίπεδο Δευτερεύουσες επιδράσεις επί της ενανθράκωσης Παράλληλα με τους μαγματικούς τεκτονικούς παράγοντες που μελετήθηκαν παραπάνω και επιδρούν στις διεργασίες ενανθράκωσης, υπάρχουν και μερικές τοπικές πρωτογενείς επιδράσεις. Μια από αυτές είναι η έννοια τοπικής ιδιαιτερότητας. Έτσι φαίνεται ότι, όταν τα υπερκείμενα στρώματα αποτελούνται από θαλάσσια ιζήματα, ευνοείται σε σημαντικό βαθμό η ενανθράκωση

50 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Η ραδιενέργεια φαίνεται ότι μειώνει το ποσοστό των πτητικών συστατικών των λιθανθράκων και αυξάνει το συντελεστή ανάκλασης, όπως διαπιστώθηκε από μετρήσεις σε δείγματα που περιείχαν ραδιενεργά εγκλείσματα. Ωστόσο δεν αποδείχθηκαν οι παλαιότεροι ισχυρισμοί, ότι οι πλούσιοι σε ουράνιο γαιάνθρακες είναι πιο ώριμοι από ότι οι φτωχότεροι Τοπικές μελέτες ενανθράκωσης Για να εκτιμήσει κανείς την πραγματική σημασία των ποικίλων παραγόντων ενανθράκωσης και να συσχετίσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους, πρέπει να μελετηθούν με λεπτομέρεια όλα τα γεωλογικά δεδομένα μιας περιοχής. Για παράδειγμα, εάν θέλει κανείς να μελετήσει την επίδραση της τεκτονικής, πρέπει να ληφθούν δείγματα επίπεδων και πτυχωμένων σημείων του ίδιου στρώματος από το ίδιο βάθος. Θα πρέπει επίσης να μελετηθεί αν το πάχος των υπερκειμένων ήταν ίδιο σε όλα τα σημεία δειγματοληψίας. Αυτός ο παράγοντας αγνοείται συνήθως, με συνέπεια να λαμβάνονται δείγματα από σημεία με διαφορετικό πάχος υπερκειμένων και κατ επέκταση με διαφορετική ροή θερμοκρασίας. Βάσει μικροδομικών μελετών διακρίνουμε προτεκτονική, συντεκτονική και μετατεκτονική ενανθράκωση. Κατά την προτεκτονική ενανθράκωση τα ήδη ενανθρακωμένα στρώματα παραμορφώθηκαν τεκτονικά (πτυχώσεις, διακλάσεις, μυλωνίτες) εκ των υστέρων, ενώ κατά τη συντεκτονική και μετατεκτονική ενανθράκωση τα στρώματα τύρφης και λιγνίτη πρώτα συμπιέστηκαν, πτυχώθηκαν και παραμορφώθηκαν, αποβάλλοντας την υγρασία τους και μετά ξεκίνησε η διαδικασία της ενανθράκωσης, η οποία τα συνεκτικοποίησε και τα ομογενοποίησε. Η τεκτονικά παραμορφωμένη μικροδομή των γαιανθράκων εντοπίζεται μικροσκοπικά, μετά από εγχάραξη των δειγμάτων και την οπτική ανισοτροπία που εμφανίζουν. Αυτά τα στοιχεία πρέπει στη συνέχεια να μεταφερθούν στα τοπικά γεωλογικά δεδομένα της περιοχής. Η χρονική σχέση μεταξύ πτύχωσης και ενανθράκωσης προκύπτει από την χωρική σχέση μεταξύ τεκτονικής δομής και βαθμού ενανθράκωσης, δηλαδή της τεκτονικής θέσης και των καμπυλών ίσης ανάκλασης (ισοανακλαστικές) και ίσης περιεκτικότητας πτητικών (ισοπτητικές). Εάν τα στρώματα και οι καμπύλες βαθμού ενανθράκωσης (ισοανακλαστικές, ισοπτητικές) είναι παράλληλα μεταξύ τους (εικ ), σημαίνει ότι η ενανθράκωση των στρωμάτων επήλθε πριν την πτύχωση σε οριζόντια θέση. Όταν οι καμπύλες βαθμού ενανθράκωσης τέμνονται με τις τεκτονικές δομές (εικ ), η ενανθράκωση άρχισε μετατεκτονικά ή συντεκτονικά

51 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Οι τοπικοί χάρτες ενανθράκωσης που κατασκευάζονται πάνω σε υπόβαθρο γεωλογικού χάρτη, απεικονίζουν με σαφήνεια τη σχέση του βαθμού ενανθράκωσης και των γεωλογικών-τεκτονικών δεδομένων της περιοχής. Έτσι μπορεί κανείς να διακρίνει την ένταση κάθε επιμέρους παράγοντα ενανθράκωσης (βάθος, πτύχωση, υπερκείμενα, θερμοκρασία, μεταμόρφωση επαφής κτλ.) και να εκτιμηθεί η αποτελεσματικότητα και η βαρύτητα του κάθε παράγοντα ξεχωριστά. Οι χάρτες αυτοί μπορεί να περιέχουν και γεωφυσικά δεδομένα, τα οποία αποκαλύπτουν ενδεχόμενες μαγματικές διεισδύσεις στο βάθος που επηρέασαν την ενανθράκωση. Εικ : Παράλληλη πορεία στρωμάτων κοιτάσματος και ισοπτητικής καμπύλης (κατά R. M Teichmüller). Εικ : Τεμνόμενη πορεία τεκτονικών στοιχείων και καμπύλης περιεκτικότητας νερού (κατά Damberger & Kneuper) Ενανθράκωση και διαγένεσης γειτονικών πετρωμάτων Τοπικές μελέτες που αφορούν την εξέλιξη της θερμοκρασίας σε παλαιότερες γεωλογικές εποχές, δεν τεκμηριώνονται πλέον μόνο με τους αντίστοιχους βαθμούς ενανθράκωσης, αλλά και με λεπτομερείς ορυκτολογικές αναλύσεις της διαγένεσης και της μεταμόρφωσης των γειτονικών αργιλικών στρωμάτων των γαιανθράκων. Είναι ήδη γνωστό ότι υπάρχει συσχέτιση μεταξύ του είδους των γαιανθράκων και του είδους των γειτονικών πετρωμάτων τους. Έτσι παρατηρούμε ότι οι 29-51

52 29. Γεωλογία Γαιανθράκων λιγνίτες συνυπάρχουν με αργίλους και άμμους, οι υποβιτουμενούχοι λιθάνθρακες με σχιστές αργίλους και χαλαρούς ψαμμίτες, οι λιθάνθρακες με αργιλικούς σχιστόλιθους και σκληρούς ψαμμίτες και οι γραφίτες με φυλλίτες και χαλαζίτες. Ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο αποτελεί η ακτινογραφική ανάλυση των αργιλικών ορυκτών των γειτονικών πετρωμάτων. Βάσει αυτής της ανάλυσης διαπιστώνεται ότι τα αργιλικά ορυκτά που απαντούν στη ζώνη λιγνιτών είναι ο μοντμοριλλονίτης και ο ιλλίτης. Στους λιθάνθρακες απαντά κρυσταλλικός ιλλίτης, ενώ στο στάδιο του γραφίτη σχηματίζονται σερικίτης και χλωρίτης. Τα παραπάνω δεδομένα σε συνδυασμό με μετρήσεις του συντελεστή ανάκλασης μικρών σωματιδίων γαιάνθρακα, έχουν ιδιαίτερη σημασία για την εξερεύνηση κοιτασμάτων πετρελαίου, καθώς είναι γνωστό ότι η πετρελαιογένεση πραγματοποιείται εντός συγκεκριμένων ορίων διαγένεσης, που καθορίζονται από το βαθμό ενανθράκωσης των γαιανθράκων εντός της ίδιας στρωματογραφικής ακολουθίας. Το πετρέλαιο σχηματίζεται σε στρώματα με συντελεστή ανάκλασης % και ποσοστό πτητικών συστατικών 38 28%. Άλλοι ερευνητές χρησιμοποιούν την τιμή του δεσμευμένου άνθρακα για τις μελέτες τους. Σε υψηλότερες συνθήκες ενανθράκωσης σχηματίζεται φυσικό αέριο Πειράματα ενανθράκωσης Κατά καιρούς έγιναν πολλές προσπάθειες εργαστηριακής αναπαράστασης της διεργασίας ενανθράκωσης. Σημαντικότερο είναι το πείραμα του Bergius, ο οποίος θέρμανε κυτταρίνη στο αυτόκλειστο στους 350 ο C, απορροφώντας την εκλυόμενη θερμότητα με σύστημα ψύξης νερού. Σχηματίστηκε μία υποβιτουμενούχος ανθρακοειδής ουσία με ταυτόχρονη έκλυση νερού (Η 2 Ο) και διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ). Παρόμοια πειράματα πραγματοποιήθηκαν αργότερα από τους Berl και Schmidt, ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ( ο C). Και εάν τα πειράματα της θερμικής ενανθράκωσης έδωσαν αυτά τα σαφή συμπεράσματα, τα πειράματα για την επίδραση της πίεσης είχαν αντιφατικά αποτελέσματα. Πειραματική συμπίεση δειγμάτων γαιανθράκων με πίεση kp/cm 2, επέφερε μόνο ασθενείς μεταβολές στην ύλη. Πιέσεις kp/cm 2, επέφεραν μια ακτινογραφικά εντοπισμένη σαφή μεταβολή της μικροδομής και την αποσύνθεση των μορίων του λιθάνθρακα. Σε πειράματα με λιγνίτη παρατηρήθηκε επίσης ότι σε πίεση 1655 kp/cm 2 και θερμοκρασία 100 ο C, μειώθηκε το ποσοστό του μεθοξυλίου κατά 0.5%. Οι παραπάνω πιέσεις είναι πολύ μεγαλύτερες από τις πιέσεις που ασκούνται κατά την τεκτονική παραμόρφωση ( 100 kp/cm 2 ) των στρωμάτων στη φύση, παρόλα αυτά δεν επέφεραν 29-52

53 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία σημαντικές μεταβολές. Ωστόσο δεν πρέπει να παραβλέπεται ότι ο παράγων χρόνος δεν ελήφθη υπόψη στα παραπάνω πειράματα Επιγενετικές μεταβολές των στρωμάτων Τεκτονικές μεταβολές των κοιτασμάτων Όπως όλα τα ιζήματα έτσι και οι γαιάνθρακες μπορεί να εμφανίζουν τεκτονικές παραμορφώσεις, όπως πτυχές και διακλάσεις. Σε σχέση με τα γειτονικά τους πετρώματα, οι λιθάνθρακες αυτού καθεαυτού συμπεριφέρονται σχετικά πλαστικά. Αυτό οδηγεί σε συμπίεση των στρωμάτων (λέπτυνση), σε συσσώρευση (χόντρεμα) και φλεβοειδείς διακλαδώσεις μέσα σε ρωγμές. Όπως και στα σώματα αλάτων έτσι και στους γαιάνθρακες παρατηρείται ένα χόντρεμα των στρωμάτων σε σημεία έντονης πτύχωσης. Συνήθως παρατηρείται μία αναδίπλωση των στρωμάτων σε σημεία ρηγμάτων. Επιφάνειες ολίσθησης και άλλα στοιχεία ρηξιγενούς τεκτονικής, διατάσσονται παράλληλα με τα στρώματα του κοιτάσματος και ακολουθούν για ένα διάστημα τα στρώματα πριν τα εγκαταλείψουν. Έτσι σχηματίζονται εναλλαγές τμημάτων με παχιά και λεπτή διαμόρφωση των στρωμάτων (κολιέ μαργαριταριών). Παραδείγματα τέτοιων τεκτονικών μεταβολών αποτελούν τα κοιτάσματα Stara Planina (εικ , 29.35) στην Βουλγαρία και στις Άλπεις. Αυτές οι τεκτονικές διακυμάνσεις του πάχους, αποδίδονται στην πλαστική συμπεριφορά των γαιανθράκων έναντι της πίεσης. Αυτή η συμπεριφορά είναι κατανοητή στους μαλακούς λιγνίτες. Στους σκληρότερους όμως λιθάνθρακες, αυτή η πλαστικότητα επιτυγχάνεται μέσω μιας λεπτής τριβής και συντριβής (μυλωνιτισμός), κατά την οποία τα μικρά σωματίδια μετακινούνται μεταξύ τους. Το φαινόμενο του μυλωνιτισμού είναι σε μερικά κοιτάσματα μακροσκοπικά εμφανές, σε άλλα όμως εντοπίζεται μόνο μικροσκοπικά. Τέτοιου είδους παρατηρήσεις οδήγησαν τους επιστήμονες στη διάκριση μεταξύ μιας προτεκτονικής ενανθράκωσης, κατά την οποία οι γαιάνθρακες υπέστησαν την τεκτονική επίδραση αφού είχαν ήδη ενανθρακωθεί και σε μια επιτεκτονική ενανθράκωση, κατά την οποία τα στρώματα ενανθρακώθηκαν μετά την τεκτονική τους παραμόρφωση. Σε αυτές τις περιπτώσεις η διεύθυνση κατάσβεσης του οπτικά ανισότροπου λιθάνθρακα, σχηματίζει γωνία με τη διεύθυνση της σχιστότητας του κοιτάσματος. Υπάρχουν περιπτώσεις κατά τις οποίες τα ήδη ενανθρακωμένα στρώματα, κατά την τεκτονική τους παραμόρφωση δέχθηκαν τόσο υψηλές πιέσεις, ώστε να συμπιέστηκαν σε φυσικές μπριγκέτες

54 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Επισημαίνεται ότι όλες οι πτυχές που απαντούν σε γαιάνθρακες δεν είναι απαραιτήτως τεκτονικής προέλευσης. Η ροή της πολτώδους έως χυλώδους τύρφης δίδει συχνά παρόμοιες εικόνες. Τα στρώματα της τύρφης με τα ενδιάμεσα στρώματα των αργίλων μπορεί να εμφανίζουν τέτοια παραμόρφωση. Παρόμοιες εικόνες παρατηρήθηκαν και σε βαυαρικούς λιθάνθρακες (εικ ). Εικ : Συμπιεσμένο στρώμα γαιάνθρακα (Stara Planina, Βουλγαρία, κατά Wassiliev). Οι διακλάσεις των γαιανθράκων μπορεί να είναι είτε τεκτονικές, είτε διαγενετικές. Αν οι διακλάσεις είναι παράλληλες προς την κύρια τεκτονική διεύθυνση μιας περιοχής, τότε είναι προφανές ότι είναι τεκτονικής προέλευσης. Αν είναι διατεταγμένες πολυγωνικά, όπως συμβαίνει συνήθως σε οριζόντια λιγνιτικά στρώματα, αποτελούν διακλάσεις συρρίκνωσης. Η γνώση του προσανατολισμού των διακλάσεων μιας περιοχής αποτελεί πολύτιμη πληροφορία για το σχεδιασμό της εκμετάλλευσης του κοιτάσματος. Γι αυτόν το λόγο κατασκευάζονται οι ονομαζόμενοι χάρτες διακλάσεων

55 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία Εικ : Πλαστική παραμόρφωση Γαιάνθρακα (Stara Planina, Wassilief). Εικ : Ρευστική πτύχωση λιθάνθρακα στη Βαυαρία (Hausham, κατά Geisler) Εξωγενείς μετατροπές των κοιτασμάτων γαιανθράκων Οι κυριότερες εξωγενείς αιτίες οι οποίες μπορούν να καταστρέψουν ένα κοίτασμα γαιάνθρακα είναι, η συντριπτική πίεση ενός παγετώνα, η ποτάμια διάβρωση και η οξειδωτική αποσάθρωση που μπορεί να οδηγήσει σε αυτανάφλεξη. Οι επιδράσεις ενός παγετώνα επί ενός στρώματος γαιάνθρακα είναι εμφανείς συνήθως στο άνω τμήμα του κοιτάσματος. Αυτό το τμήμα μπορεί αφενός μεν να παρασυρθεί τελείως και να καταστραφεί, αφετέρου να αναμιχθεί με συστατικά της βάσης του παγετώνα και να καταστεί μη εκμεταλλεύσιμο. Επίσης, διάφορα τεκτονικά στοιχεία (διακλάσεις κτλ.) των ανθρακοφόρων στρωμάτων, μπορεί να πληρωθούν με παγετώδη υλικά ή ακόμη και να διακοπεί βίαια η συνέχεια των στρωμάτων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων περιπτώσεων απαντούν στη Β. Γερμανία, την Πολωνία και την Ρωσία. Η διακοπή της συνέχειας των στρωμάτων ενός κοιτάσματος γαιανθράκων, μπορεί να συμβαίνει απότομα ή να απολήγει (σβήνει) σταδιακά. Στην πρώτη περίπτωση είναι βέβαιο ότι η βίαιη διακοπή οφείλεται σε έκπλυση του κοιτάσματος από ποτάμια δράση, η οποία έπληξε σε αρχικό στάδιο τον τυρφώνα ή σε μεταγενέστερο στάδιο, αυτούσιο το στρώμα του γαιάνθρακα, Τα υλικά που αναμειγνύονται με τους γαιάνθρακες είναι αδρόκοκκοι ψαμμίτες, χαλίκια και κροκάλες. Στρώματα λιγνίτη ή λιθάνθρακα που φθάνουν στην επιφάνεια αποσαθρώνονται, σχηματίζοντας μαλακά εδάφη, με αποτέλεσμα να μην είναι καν αναγνωρίσιμα. Συνήθως το βάθος της αποσάθρωσης είναι μερικά μέτρα. Στη ζώνη αποσάθρωσης το πάχος των στρωμάτων γαιάνθρακα μειώνεται στο μισό και η ποιότητα επιδεινώνεται εξαιτίας της οξείδωσης. Καρστικοί γαιάνθρακες αποσαθρώνονται ακόμη και κάτω από τη δολίνη και καθίστανται μη εκμεταλλεύσιμοι

56 29. Γεωλογία Γαιανθράκων Πολλές φορές κοιτάσματα που απολήγουν στην επιφάνεια αναφλέγονται από δασικές πυρκαγιές, χωρίς βέβαια να καταστρέφεται ολόκληρο το κοίτασμα. Σε ένα μεγάλο βάθος από την επιφάνεια αποτεφρώνεται ο γαιάνθρακας. Τα αργιλικά στρώματα λαμβάνουν διάφορες αποχρώσεις από σκούρο γκρι, κίτρινο έως κεραμιδί και κόκκινο. Μερικές φορές απαντούν και φαινόμενα τήξης των αργίλων. Η σκληρότητα των καμένων αργίλων τα καθιστά ανθεκτικά στη διάβρωση, με αποτέλεσμα να γίνονται αντιληπτά και να φαίνονται από μεγάλη απόσταση. Στην Ρουμανία και τη Βοημία οι καμένοι άργιλοι χρησιμοποιούνται για παραγωγή κεραμικών. Τα αίτια της αυτανάφλεξης των γαιανθράκων δεν είναι ακόμη σαφή. Η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την οξείδωση του ζελλοειδή σιδηροπυρίτη δε φαίνεται πάντως να είναι υπεύθυνη για την αυτανάφλεξη. Επίσης επισημαίνεται ότι τάση προς γρήγορη οξείδωση εμφανίζουν ιδιαιτέρως γαιάνθρακες χαμηλού βαθμού ενανθράκωσης. Διαπιστώθηκε επίσης, ότι μόλις μετά από λίγες ώρες θέρμανσης, σχηματίζεται ένα περίβλημα υψηλότερης ανάκλασης, γύρω από τους κόκκους του γαιάνθρακα. Η οξείδωση είναι μία εξώθερμη αντίδραση, κατά την οποία μπορεί να συσσωρευτεί θερμότητα. Όμως αξιοσημείωτο είναι ότι μεταξύ των οξειδωμένων (έχουν θερμανθεί) και των μη οξειδωμένων λιγνιτών (δεν έχουν θερμανθεί), δεν παρατηρούνται δομικές διαφορές στο μικροσκόπιο. Κάποιοι επιστήμονες θεωρούν υπεύθυνη για την αυτανάφλεξη την επιφανειακή θερμότητα των κόκκων. Αποδείχθηκε πειραματικά ότι δείγματα που υπέστησαν επεξεργασία με υδρατμούς, ανέπτυξαν μεγαλύτερη θερμοκρασία από αυτά με οξυγόνο. Αυτή η παρατήρηση καλύπτει απόλυτα το γεγονός, ότι σε βροχερές συνθήκες οι αποθέσεις γαιανθράκων τείνουν εντονότερα προς αυτανάφλεξη. Τέλος, μέσα στο ορυχείο εντονότερη τάση προς αυτανάφλεξη δείχνουν τα κατάλοιπα κορμών δέντρων που βρίσκονται σε όρθια θέση Εφαρμογές της γεωλογίας γαιανθράκων Αναζήτηση και εξερεύνηση κοιτασμάτων Η αναζήτηση καλυμμένων κοιτασμάτων γαιανθράκων μπορεί να πραγματοποιηθεί βάσει γεωλογικών δεδομένων, σημαντικότερα των οποίων είναι τα παλαιογεωγραφικά, οι διακυμάνσεις της επιφάνειας της θάλασσας και τα διάφορα στρώματα υλικών. Δεν υπάρχει καμία απολύτως γεωφυσική μέθοδος, η οποία εντοπίζει με απόλυτη σαφήνεια στρώματα γαιανθράκων. Όμως με τη βοήθεια σεισμικών, μαγνητικών και βαρυτομετρικών μετρήσεων μπορούν να αντληθούν πληροφορίες για την τεκτονική και στρωματογραφική δομή των γεωλογικών σχηματισμών 29-56

57 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία μιας περιοχής και να εντοπιστούν ελπιδοφόρες ανθρακοφόρες κοιλότητες και βυθίσματα. Από τις γεωχημικές μεθόδους μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μέτρηση των αερίων στο έδαφος, καθώς τα υπερκείμενα των κοιτασμάτων εδάφη είναι συνήθως πλούσια σε διοξείδιο του άνθρακα και εύφλεκτα αέρια. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο αφού νωρίτερα έχει περιοριστεί χωρικά η περιοχή ενδιαφέροντος με τη χρήση άλλων μεθόδων. Ο βέβαιος εντοπισμός των κοιτασμάτων γίνεται τελικά μόνο με την ανόρυξη γεωτρήσεων και με εφαρμογή άλλων μεταλλευτικών έργων (στοές κτλ.). Στη φάση της αναζήτησης είναι πολλές φορές τελικά φθηνότερη η ανόρυξη γεωτρήσεων, καθώς από αυτές ανακτώνται πολύτιμες πληροφορίες για τη λιθολογία, τη στρωματογραφία, τη θέση και την τεκτονική της περιοχής. Για να κρατηθεί το κόστος της αναζήτησης σε χαμηλά επίπεδα, στα στείρα υπερκείμενα στρώματα γίνεται απλή διάνοιξη και όταν συναντηθούν τα στρώματα του γαιάνθρακα, η απλή γεώτρηση μετατρέπεται σε γεώτρηση λήψης πυρήνων (καρότων). Η λήψη όσο το δυνατόν περισσότερων μέτρων πυρήνων είναι σημαντικός παράγοντας για την εκμετάλλευση. Ο σχεδιασμός του γεωτρητικού πλάνου πρέπει πάντα, ακόμη και όταν υπάρχουν απλές γεωλογικές συνθήκες, να γίνεται από εξειδικευμένο προσωπικό, καθώς υπάρχει πάντα κίνδυνος να παραβλεφθούν πολύτιμες πληροφορίες. Για να αποφεύγεται η απώλεια νερού και η οξείδωση των δειγμάτων, πρέπει οι πυρήνες γεώτρησης να τοποθετούνται άμεσα σε πλαστικές σακούλες και να διατηρούνται σε δροσερό χώρο. Από τους πυρήνες λαμβάνονται πάντα αντιπροσωπευτικά δείγματα για τις άμεσες αναλύσεις, αλλά και για φύλαξη για ενδεχόμενες συμπληρωματικές αναλύσεις στο μέλλον. Επίσης, για την πληρέστερη μελέτη των στρωμάτων συστήνεται η χρήση γεωφυσικών μετρήσεων του προφίλ των γεωτρήσεων, όπως είναι η μέθοδος της ακτινογραφίας και των ηλεκτρικών μετρήσεων της φαινόμενης ειδικής αντίστασης. Αυτές οι μέθοδοι συνεισφέρουν στον καθορισμό της περιεκτικότητας των γαιανθράκων σε νερό και στάχτη (εικ ) Ταξινόμηση στρωμάτων Σε κοιτάσματα γαιανθράκων με πολλά ξεχωριστά ανθρακοφόρα σώματα, η ταξινόμηση και η αναγνώριση όλων των στρωμάτων αποτελεί σημαντικό αντικείμενο των γεωλόγων και των τοπογράφων. Ιδιαίτερα όταν τα σώματα είναι έντονα τεκτονισμένα και χαρακτηρίζονται από πολλαπλές διακοπές της συνέχειάς τους. Για την εξόρυξη έχει πολύ μεγάλη σημασία να γνωρίζει κανείς ποιό στρώμα αποτελεί συνέχεια ποιού στρώματος κ.ο.κ. Λαμβάνονται υπόψη όλα τα χαρακτηριστικά, 29-57

58 29. Γεωλογία Γαιανθράκων από τις διακυμάνσεις πάχους έως τις διακλαδώσεις ή διασπάσεις των στρωμάτων. Εκτός από τα πετρογραφικά και τα τεκτονικά στοιχεία, πολύτιμες πληροφορίες αντλούνται και από τα ανθρακοπετρογραφικά δεδομένα για την αναγνώριση των επιμέρους στρωμάτων. Εικ : Ο γεωφυσικός χαρακτηρισμός μιας γεώτρησης (από Baugeologie 1980). Όταν τα υπερκείμενα είναι ιζήματα θαλάσσιας προέλευσης, κατά κανόνα τα υποκείμενα στρώματα εκτείνονται σε μεγάλη απόσταση. Βέβαια πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ότι τα στρώματα αυτά μπορεί να 29-58

59 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία διασπώνται ή να αντικαθίστανται από στρώματα διαφορετικής υλικής φάσης, π.χ. υφάλμυρα στρώματα. Σήμερα γνωρίζουμε ότι ακόμη και σε σύγχρονα παράκτια έλη, η χλωρίδα αποτελείται από φυτά που ευνοούνται από υφάλμυρες συνθήκες. Κηροειδείς γαιάνθρακες αποτελούν δείκτες τέτοιων συνθηκών. Η υλική φάση των ενδιάμεσων στρωμάτων είναι μεταβαλλόμενη. Όμως οι παχύς χονδρόκοκκοι πλακώδεις ψαμμίτες εκτείνονται κατά κανόνα σε μεγάλα μήκη, όπως και τα στρώματα σχιστής αργίλου. Για παράλιες λεκάνες, καλούς δείκτες αποτελούν συχνά τα πλακώδη κροκαλοπαγή, ενώ ως δελταϊκές αποθέσεις σε λιμναίο περιβάλλον, αυτά τα πετρώματα έχουν ελάχιστη σημασία. Κάποια στρώματα δείκτες μπορεί να έχουν πολύ μεγάλο μήκος. Σε αυτά ανήκουν οι ηφαιστειακοί τόφφοι και οι θαλάσσιοι απολιθωματούχοι άργιλοι, που χαρακτηρίζονται και από αυξημένη περιεκτικότητα σε βόριο (Β). Τα φυτικά απολιθώματα είναι κατάλληλα για τη διάκριση ομαδικών στρωμάτων, αλλά όχι μεμονωμένων σωμάτων. Το αυτό ισχύει και για τους σπόρους και τη γύρη, η αναγνώριση των οποίων κατέστη απαραίτητο στοιχείο συσχέτισης με άλλα ευρήματα δειγμάτων γεωτρήσεων. Μεταξύ των άλλων θεμάτων που απασχολούν τους γεωλόγους των ορυχείων, είναι το νερό και τα αέρια. Μεθάνιο ή εκρηκτικό μίγμα διοξείδιο του άνθρακα και αέρα μπορεί να παραχθούν ακόμη και σε λιγνιτικά κοιτάσματα μικρού βαθμού ενανθράκωσης. Τα αέρια μπορεί να μεταφερθούν και από μεγάλη απόσταση μέσω πορωδών πετρωμάτων ή τεκτονικών στοιχείων (ρήγματα, διακλάσεις κτλ.). Τα κοιτάσματα φυσικού αερίου της Β. Γερμανίας σχηματίστηκαν από αέρια που μετανάστευσαν από ένα κοίτασμα λιθάνθρακα στο βάθος. Στην Τουρκία συνέβη ένα τραγικό ατύχημα έκρηξης σε μεταλλείο χρωμίτη από διοξείδιο του άνθρακα, που προήλθε από γειτονικούς ανθρακούχους σχιστόλιθους. Όσο βαθύτερα βρίσκεται το μεταλλείο, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση των αερίων και τόσο μεγαλύτερος είναι ο κίνδυνος έκρηξης, ιδιαιτέρως από διοξείδιο του άνθρακα. Στην κοιλάδα του Ruhr κατασκευάστηκαν χάρτες αερίων, οι οποίοι δείχνουν την ποσότητα αερίου που παράγεται ανά τόνο γαιάνθρακα σε κάθε κοίτασμα. Μάλιστα στο κοίτασμα του Karwin της Πολωνίας, συλλέγεται και χρησιμοποιείται το αέριο που δημιουργείται. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν ένα θανάσιμο εχθρό για την εκμετάλλευση ενός κοιτάσματος. Σημαντικό ρόλο παίζει εδώ η στεγανότητα των υπερκείμενων στρωμάτων και η τεκτονική της περιοχής, καθώς ρήγματα και διακλάσεις μπορεί να αποτελούν διαύλους διείσδυσης επιφανειακών νερών προς τα ανθρακοφόρα στρώματα. Οι μηχανικοί εκμετάλλευσης πρέπει να γνωρίζουν καλά τα λιθολογικά και υδρογεωλογικά δεδομένα της περιοχής. Κατά την επιφανειακή 29-59

60 29. Γεωλογία Γαιανθράκων εκμετάλλευση λιγνιτών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και τα υποκείμενα στρώματα, καθώς αυτά μπορεί να είναι φορείς αρτεσιανών υδάτων. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των λιμναίων ιζηματογενών σχηματισμών, είναι η αστάθεια και η ανομοιομορφία. Τα δεδομένα αλλάζουν άρδην και τα στοιχεία μιας γεώτρησης δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται άκριτα για τα γειτονικά σώματα Εκμεταλλευσιμότητα και υπολογισμός αποθεμάτων Η εκμεταλλευσιμότητα ενός κοιτάσματος είναι ένα μέγεθος που εξαρτάται από πολλούς τεχνικούς και οικονομικούς παράγοντες. Οι συνθήκες της αγοράς, η συγκοινωνιακές υποδομές, το εργατικό δυναμικό, τα μισθολογικά δεδομένα και οι τιμές των ακινήτων είναι μερικά εκ των δεδομένων που διαδραματίζουν σοβαρό ρόλο στην εκμεταλλευσιμότητα ενός κοιτάσματος, χωρίς προφανώς να σχετίζονται με τα ορυκτολογικά και κοιτασματολογικά του στοιχεία. Αποφασιστικής σημασίας είναι επίσης η μέθοδος εκμετάλλευσης που θα ακολουθηθεί, αν δηλαδή θα είναι μία επιφανειακή ή υπόγεια εκμετάλλευση. Το πρόβλημα της εκμεταλλευσιμότητας και του υπολογισμού των αποθεμάτων κοιτασμάτων, αποτέλεσε αντικείμενο ειδικής βιβλιογραφίας παγκοσμίως. Φαίνεται ότι δύο ομάδες κριτηρίων συγκεντρώνουν την αποδοχή της πλειοψηφίας των επιστημών. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει κυρίως τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του κοιτάσματος, όπως το πάχος, η τεκτονική θέση και το βάθος των στρωμάτων, ενώ στη δεύτερη ομάδα κατατάσσονται τα ποιοτικά στοιχεία, όπως η εμπλουτευσιμότητα και η χρησιμότητα. Με τη μηχανοποίηση της εξόρυξης μεταβλήθηκαν και οι συνθήκες της εκμεταλλευσιμότητας, γεγονός που είχε ως συνέπεια τη μείωση των εκμεταλλεύσιμων κοιτασμάτων των βιομηχανικών χωρών. Το εκμεταλλεύσιμο πάχος των στρωμάτων για ένα λιθάνθρακα σε βάθος 1500m κυμαίνεται μεταξύ 0.6 και 1.5m. Τεκτονισμένα και κάθετα στρώματα μπορούν επίσης να εξορυχτούν μηχανικά. Από την άλλη πλευρά, η βελτίωση των μεθόδων εμπλουτισμού, επιτρέπει την εκμετάλλευση κοιτασμάτων με μεγαλύτερο ποσοστό στείρων (έως 40%). Ο υπολογισμός των γεωλογικών αποθεμάτων είναι ένα ογκομετρικό πρόβλημα. Σε ένα πλακοειδές κοίτασμα με κυμαινόμενο πάχος στρωμάτων, ο όγκος προκύπτει ως γινόμενο της συνολικής επιφάνειας με τον αριθμητικό μέσο των επιμέρους παχών. Αν όμως, παρατηρείται έντονη διακύμανση του πάχους των στρωμάτων στο ίδιο κοίτασμα, προτείνεται η απομόνωση σχετικά όμοιων τμημάτων και ο υπολογισμός των αποθεμάτων κάθε στρώματος χωριστά. Η μετατροπή 29-60

61 Περιβαλλοντική Τεχνική Γεωλογία των κυβικών μέτρων σε τόνους γίνεται απλά και γενικά, θεωρώντας το 1cbm του γαιάνθρακα ίσο με 1 τόνο. Δεδομένου ότι η πυκνότητα του λιθάνθρακα είναι >1, αυτή η εκτίμηση διαθέτει μια βεβαιότητα 20%. Ως βέβαια θεωρούνται επίσης τα αποθέματα που περιορίζονται τουλάχιστον από 3 γεωτρήσεις. Σε επίπεδα ομοιόμορφα στρώματα, η απόσταση μεταξύ των γεωτρήσεων μπορεί να είναι 2-3km. Σε τεκτονισμένα κοιτάσματα, αυτή η απόσταση πρέπει να είναι πολύ μικρότερη. Με μεγάλη προσοχή πρέπει να γίνεται η εκτίμηση των αποθεμάτων κοιτασμάτων, στα οποία τα υπερκείμενα στρώματα έχουν χονδροκλαστικές δομές, ιδιαίτερα όταν απαντούν ψαμμίτες με όγκους γαιανθράκων. Κατά την ογκομέτρηση έντονα τεκτονισμένων στρωμάτων πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η κλίση τους. Όταν παρατηρείται διακύμανση του πάχους των στρωμάτων, κατασκευάζονται καμπύλες όμοιου πάχους και εμβαδομετρούνται οι δίσκοι που προκύπτουν. Για τον υπολογισμό των μη αποληφθέντων αποθεμάτων ενός κοιτάσματος, χρησιμοποιούνται συχνά οι εμπειρίες από τα τμήματα που έχουν εξορυχτεί. Απλά δημιουργούνται συντελεστές αποληψιμότητας, οι οποίοι εκφράζουν την ποσότητα του ανακτημένου γαιάνθρακα προς τον συνολικό όγκο που έχει εξορυχτεί (στείρα + γαιάνθρακας). Στα έντονα συμπιεσμένα ή αναδιπλωμένα στρώματα λιθάνθρακα του αλπικού τύπου, η εκτίμηση των αποθεμάτων μπορεί να γίνει μόνο με τη χρήση αυτών των συντελεστών. Επισημαίνεται επίσης ότι από τα υπολογισμένα γεωλογικά αποθέματα, ένα ποσοστό 10-20% χάνεται κατά την επιφανειακή εκμετάλλευση. Για τις υπόγειες εκμεταλλεύσεις το ποσοστό αυτό ανέρχεται στο 30-50%. Η πολυστοχευμένη in situ αεριοποίηση των λιθανθράκων δεν αποφέρει τελικά ιδιαίτερα θετικά αποτελέσματα καθώς, το 1/3 της θερμότητας που παράγεται καταναλώνεται στη μετατροπή του λιθάνθρακα σε οπτάνθρακα (koks), το 1/3 διαχέεται στα γειτονικά πετρώματα, και μόνο το 1/3 ανακτάται ως αέριο χαμηλής θερμογόνου δύναμης. Συνοψίζοντας, διαπιστώνεται ότι για την κατά το δυνατόν πληρέστερη χρήση των γαιανθράκων ως πηγή ενέργειας, απαιτούνται ακόμη πολλές γεωλογικές έρευνες και τεχνικές εξελίξεις

62 29. Γεωλογία Γαιανθράκων ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΠΑΡΑΓΩΓΕΣ ΧΩΡΕΣ ΤΗΣ ΓΗΣ 29-62