ΓΕΩΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΑΡΙΑΔΝΗ ΑΡΓΥΡΑΚΗ

Transcript

1 1 ΓΕΩΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΑΡΙΑΔΝΗ ΑΡΓΥΡΑΚΗ

2 2 Γεωλογικός (Γεωχημικός) κύκλος

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 3 1. ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 2. ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ 3. ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ 4. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ 5. ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΟΡΥΚΤΩΝ 6. ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ

4 ΓΗΙΝΟ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Βροχόπτωση Εξάτμιση Αναπνοή / Φωτοσύνθεση Ηφαιστειακές Εκρήξεις Υ ΡΟΣΦΑΙΡΑ Τροφή Χημική ιζηματογένεση ΒΙΟΣΦΑΙΡΑ Υδροθερμική ραστηριότητα Αποσάθρωση Βιοορυκτογένεση 4 ΛΙΘΟΣΦΑΙΡΑ

5 ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ 5 Η διάσπαση και εξαλλοίωση υλικών κοντά στην επιφάνεια της γης Συνδυασμός δράσης ανόργανων διεργασιών και οργανικής δραστηριότητας Κυρίαρχος παράγοντας το νερό Οδηγεί σε διάβρωση, ιζηματογένεση, σχηματισμό εδάφους Φυσική αποσάθρωση: Η μηχανική διάσπαση των υλικών αύξηση της ειδικής επιφάνειας κόκκων υλικών (λόγος εμβαδού εκτεθειμένης επιφάνειας/ συνολικό όγκο) Χημική αποσάθρωση: Αντιδράσεις μεταξύ αέριας-υγρής-στερεάς φάσης στην επιφάνεια καθορίζει τη σύσταση των επιφανειακών και υπόγειων νερών

6 ανύψωση E L E M E N T S, VO L. 3, P P , 2007 Η ΚΡΙΣΙΜΗ ΖΩΝΗ υλικό Εδαφικοί ορίζοντες σαπρόλιθος διεργασία Μηχανική, χημική, βιολογική και μεταφορά Παραγωγή υπολειμματικού εδάφους χημική Κρίσιμη ζώνη ιαρρηγμένο & αποσαθρωμένο πέτρωμα Μηχανική/ χημική Μέτωπο αποσάθρωσης ιαρρηγμένο πέτρωμα Συμπαγές πέτρωμα Μηχανική Παραγωγή αποσαθρωμένου πετρώματος

7 ΦΥΣΙΚΗ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ 7 Εκφόρτιση βαθέων πετρωμάτων στην επιφάνεια διαστολή ιάρρηξη κατά μήκος κρυστάλλων/κόκκων ιεύρυνση ρωγμών με είσοδο νερού σημασία κλίματος: ψυχρό και υγρό με δράση πάγου, θερμό και ξηρό με δράση αλάτων ράση έμβιου κόσμου: ρίζες φυτών, σκώληκες κ.α. ζώα ανάμιξη υλικού και διεύρυνση ρωγμών ράση βαρύτητας κατάρρευση τεμαχίων ράση πάγου, νερού και ανέμου μεταφορά υλικών

8 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ 8 Κλίμα: Σημασία βροχόπτωσης στον έλεγχο της ποσότητας διαθέσιμου νερού για αντιδράσεις, σημασία θερμοκρασίας στην ταχύτητα των αντιδράσεων, στο ποσοστό εξάτμισης, στον τύπο της βλάστησης και την αποσύνθεση της οργανικής ύλης Ανάγλυφο και υδρογραφικό δίκτυο: Επικράτηση φυσικής αποσάθρωσης σε περιοχές έντονου ανάγλυφου και χημικής αποσάθρωσης σε επίπεδες περιοχές Διαπερατότητα πετρωμάτων: Κλαστικά ιζηματογενή πετρώματα έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια και είναι πιο επιρρεπή στην αποσάθρωση από λεπτοκοκκώδη εκρηξιγενή κρυσταλλικά πετρώματα Ορυκτολογική σύσταση πετρωμάτων: Διαφορές στην σχετική ανθεκτικότητα των ορυκτών

9 ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΣΤΗΝ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ 9 Αποσάθρωση πρωτογενών ορυκτών: Ανθεκτικότητα αντιστρόφως ανάλογη της Ρ και Τ σχηματισμού Σειρά κρυστάλλωσης πυριτικών ορυκτών (Bowen): Αυξανόμενη P, T σχηματισμού στο πρωτογενές περιβάλλον Ολιβίνης Ασβεστούχο πλαγιόκλαστο Αυγίτης Ασβεστοαλκαλικό πλαγιόκλαστο Κεροστίλβη Αλκαλι-ασβεστούχο πλαγιόκλαστο Βιοτίτης Αλκαλιούχο πλαγιόκλαστο Καλιούχος άστριος Μοσχοβίτης Χαλαζίας Αυξανόμενη σταθερότητα στο επιφανειακό περιβάλλον

10 ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΟΡΥΚΤΩΝ ΣΤΗΝ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗ (Goldich, 1938) 10 Αλίτης Γύψος/ ανυδρίτης Αυξανόμενη σταθερότητα στο επιφανειακό περιβάλλον (ανθεκτικότητα στην αποσάθρωση) Σιδηροπυρίτης Ασβεστίτης ολομίτης Ηφαιστειακό γυαλί Σειρά πυριτικών Μοντμοριλλονίτης Καολινίτης Αιματίτης/ γκαιτίτης/ γιψίτης

11 ΚΥΡΙΑΡΧΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ 11 Νερό (H 2 O) με δράση ασθενούς οξέος ή βάσεως ιοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ): Αντιδρά με το νερό και σχηματίζει ανθρακικό οξύ CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Οργανικά οξέα (π.χ. HCOOH): συμπλοκοποιούν πολλά από τα στοιχεία που απελευθερώνονται Οξυγόνο (Ο 2 ) με οξειδωτική δράση σε Fe 2+ και S 2-

12 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ 12 δ + δ + εσμοί υδρογόνου δ - H 3 O + ιαφορά ηλεκτραρνητικότητας H & O ιπολικά μόρια εσμοί υδρογόνου ιαλυτική ικανότητα νερού Ομοιοπολικοί δεσμοί

13 ΚΥΡΙΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ (1) Οξείδωση (απώλεια ηλεκτρονίων): Με δράση του ελεύθερου οξυγόνου σε ορυκτά που περιέχουν στοιχεία αναγωγικού σθένους, κυρίως Fe, S. Αργές αντιδράσεις στο επιφανειακό περιβάλλον. ιαλυτική δράση νερού. Μεταβολισμός ζώντων οργανισμών οξείδωση οργανικού C με παραγωγή CO 2 Παραδείγματα: 4FeS O 2 + 8H 2 O 2Fe 2 O 3 + 8H 2 SO 4 σιδηροπυρίτης αιματίτης Fe 2 SiO 4 + 1/2O 2 + 5H 2 O 2Fe(OH) 3 + H 4 SiO 4 φαϋαλίτης γκαιτίτης

14 ΚΥΡΙΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ (2) Απλή διάλυση: Τέλεια διάλυση υδατοδιαλυτών ορυκτών π.χ. αλίτης, γύψος, ανυδρίτης κατά την οποία τα ιόντα των στοιχείων που απαρτίζουν τα ορυκτά ελευθερώνονται στο διάλυμα π.χ. NaCl Na + + Cl - 3. Υδρόλυση: Παρόμοια με διάλυση αλλά με πρόσθετη αντίδραση του νερού με τα ελευθερωμένα ιόντα Συνήθως παραγωγή ασθενούς οξέος και μετρίως ισχυρών αλκαλίων (αύξηση ph) π.χ. CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2- Ca 2+ + CO H 2 O Ca(OH) 2 + H 2 CO 3

15 ΚΥΡΙΟΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ (3) Όξινη υδρόλυση: Παρόμοια με απλή υδρόλυση αλλά με παρουσία οξέων στο επιφανειακό περιβάλλον κυρίως οργανικών από την αποσύνθεση της οργανικής ύλης Ισχυρότερα οξέα σε περιβάλλον υδροθερμικών διαλυμάτων Για απλοποίηση των αντιδράσεων πηγή οξύτητας θεωρείται το ανθρακικό οξύ Φυσική διεργασία εξουδετέρωσης του νερού αποσάθρωσης που συνήθως είναι όξινο λόγω ανθρωπογενών επιδράσεων

16 Τύποι όξινης υδρόλυσης 16 1) Σύμπτωτη υδρόλυση (congruent): χωρίς στερεό υπόλειμμα Mg 2 SiO 4 (φορστερίτης) + 4H 2 CO 3 (aq) 2Mg HCO 3- + H 4 SiO 4(aq) 2) Ασύμπτωτη υδρόλυση (incongruent): με στερεό υπόλειμμα νέο αργιλοπυριτικό ορυκτό (συνήθης υδρόλυση πυριτικών ορυκτών) 2ΝaAlSi 3 O 8 (αλβίτης) + 2H 2 CO 3 (aq) + 9H 2 O Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4(καολινίτης) + 2Na + + 2HCO H 4 SiO 4(aq)

17 ΑΣΥΜΠΤΩΤΗ ΟΞΙΝΗ Υ ΡΟΛΥΣΗ ΠΥΡΙΤΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ 17 Ο κύριος μηχανισμός χημικής αποσάθρωσης των πρωτογενών πυριτικών ορυκτών είναι η ασύμπτωτη όξινη υδρόλυση. Προϊόντα τέτοιων αντιδράσεων είναι τα δευτερογενή αργιλικά ορυκτά (στερεό υπόλειμμα) και διαλυμένα ιόντα. ΠΡΩΤΟΓΕΝΕΣ ΠΥΡΙΤΙΚΟ ΟΡΥΚΤΟ + Η + ΑΡΓΙΛΙΚΟ + Η ΟΡΥΚΤΟ 4 SiO 4 + κατιόντα Πυριτικό οξύ

18 ΣΥΝΗΘΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΩΝ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ ΤΟΥΣ ΟΡΥΚΤΟ ΣΥΣΤΑΣΗ ΠΕΤΡΩΜΑ ΣΥΝΗΘΟΥΣ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ ΟΡΥΚΤΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ 18 Ολιβίνης (Mg,Fe)SiO 4 Πυριγενές Οξείδωση Fe Σύμπτωτη διάλυση με οξέα Πυριγενές Οξείδωση Fe Πυρόξενοι (Mg,Fe)SiO 3 Ca(Mg,Fe)Si 2 O 6 Σύμπτωτη διάλυση με οξέα Αμφίβολοι Ca 2 (Mg,Fe) 5 Si 8 O 22 (OH) 2 Πυριγενές Μεταμορφωμένο Πλαγιόκλαστα NaAlSi 3 O 8 CaAl 2 Si 2 O 8 Πυριγενές Μεταμορφωμένο Κ άστριος KAlSi 3 O 8 Πυριγενές Μεταμορφωμένο Βιοτίτης K(Mg,Fe) 3 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 Πυριγενές Μεταμορφωμένο Οξείδωση Fe Σύμπτωτη διάλυση με οξέα Ασύμπτωτη διάλυση με οξέα Ασύμπτωτη διάλυση με οξέα Οξείδωση Fe Ασύμπτωτη διάλυση με οξέα

19 ΣΥΝΗΘΗ ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙ ΡΑΣΕΩΝ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ ΤΟΥΣ ΟΡΥΚΤΟ ΣΥΣΤΑΣΗ ΠΕΤΡΩΜΑ ΣΥΝΗΘΟΥΣ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ ΟΡΥΚΤΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ Μοσχοβίτης KAl 3 Si 3 O10(OH) 2 Μεταμορφωμένο Ασύμπτωτη διάλυση με οξέα Ηφαιστειακό γυαλί Ca,Mg,Na,K,Al,Fe πυρίτιο Πυριγενές Χαλαζίας SiO 2 Πυριγενές Μεταμορφωμένο Ιζηματογενές Ασύμπτωτη διάλυση με οξέα Ανθεκτικός στην αποσάθρωση Ασβεστίτης CaCO 3 Ιζηματογενές Σύμπτωτη διάλυση με οξέα Δολομίτης CaMg(CO 3 ) 2 Ιζηματογενές Σύμπτωτη διάλυση με οξέα Σιδηροπυρίτης FeS 2 Ιζηματογενές Οξείδωση Fe, S Γύψος CaSO 4.2H 2 O Ιζηματογενές Απλή διάλυση Ανυδρίτης CaSO 4 Ιζηματογενές Απλή διάλυση Αλίτης NaCl Ιζηματογενές Απλή διάλυση 19

20 ΙΕΡΓΑΣΙΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ ΛΙΘΟΣΦΑΙΡΑ Υ ΑΤΙΚΑ ΙΑΛΥΜΑΤΑ ΣΤΕΡΕΑ Κύρια στοιχεία Ca Mg K Ιχνοστοιχεία As Cd Cr Πρωτογενή ανθεκτικά ορυκτά Χαλαζίας (SiO 2 ) ευτερογενή ορυκτά Οξείδια Αργιλικά (ιλλίτης, μοντμοριλονίτης, καολινίτης, χλωρίτης) Na Cu Cl SO 4 Hg Cu προσρόφηση 20 HCO 3 Zn

21 ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΑΠΟΣΑΘΡΩΣΗΣ 21 Ευδιάλυτα συστατικά: Απελευθερώνονται και απομακρύνονται σε μορφή ιόντων στο διάλυμα κατά την αποσύνθεση των πρωτογενών ορυκτών. Γενικά αντανακλούν τη σύσταση των μητρικών πετρωμάτων εμπλουτισμός σε Ca, Mg παρουσία βασικών πετρωμάτων, Κ, Νa παρουσία όξινων πετρωμάτων. Είναι δυνατό να καθιζάνουν ή να παραμένουν διαλυμένα ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Αδιάλυτα δευτερογενή ορυκτά: Προϊόντα οξείδωσης ή ασύμπτωτης υδρόλυσης, συνήθως λεπτόκοκκα (μέγεθος κόκκων < 2μm) περιλαμβάνουν αργιλικά ορυκτά, οξείδια Fe, Al, δευτερογενή μεταλλικά ορυκτά και gossan (σιδηρούν κάλυμμα). Υπολειμματικά πρωτογενή ορυκτά: Διαλύονται βραδέως, εμπλουτίζονται και αναμιγνύονται με τα νέα ορυκτά της αποσάθρωσης. Περιλαμβάνουν μέταλλα & μεταλλικά ορυκτά π.χ. χρυσός, λευκόχρυσος, κασσιτερίτης, χρωμίτης ή μη μεταλλικά π.χ. χαλαζίας, τουρμαλίνης, ζιρκόνιο κλπ.

22 ΑΡΓΙΛΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ 22 Στρωματοειδής δομή, περιέχουν Si, Al, Mg, O Αντικατάσταση Si, Al, Mg από ελεύθερα ιόντα Τετραεδρική δομή με Ο διατεταγμένα γύρω από Si ή οκταεδρική δομή με Ο διατεταγμένα γύρω από Mg, Al T-O με επανάληψη τετραέδρων-οκταέδρων (καολινίτης) ή Τ-Ο-Τ με εναλλαγή 2 τετράεδρα 1 οκτάεδρο (μοντμοριλλονίτης) Συχνή αντικατάσταση ιόντων στις οκταεδρικές θέσεις (π.χ. Αl +3 από Mg +2 στον μοντμοριλλονίτη) περίσσια φορτίου εξισορρόπηση με εισαγωγή ιόντων μεταξύ των στρωμάτων (π.χ. Ca +2 )

23 23 ΔΟΜΗ ΑΡΓΙΛΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ

24 ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΑ ΑΡΓΙΛΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ ΣΕ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕ ΤΟ ΚΛΙΜΑ σμεκτίτης καολινίτης % αργίλου 40 ιλλίτης βερμικουλλίτης 20 Γιψίτης + οξείδια Fe Ερημικό κλίμα Εύκρατο κλίμα Τροπικό κλίμα Ετήσια βροχόπτωση (cm)

25 ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ ΑΠΟ ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΘΕΙΟΥΧΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΩΝ 25 Το είδος του ορυκτού καθορίζεται από τις συνθήκες ph, Eh, P, συγκέντρωσης του μετάλλου

26 ΣΙΔΗΡΟΥΝ ΚΑΛΥΜΜΑ 26 Ένυδρα οξείδια Fe Προέρχονται από οξείδωση θειούχων (σιδηροπυρίτη, μαρκασίτη, μαγνητοπυρίτη, αρσενοπυρίτη) και ανθρακικών (σιδηρίτη, αγκερίτη) ορυκτών Σταθερά σε επαφή με όξινα θειικά διαλύματα Κύρια ορυκτά λειμονίτης, χαλαζίας, δευτερογενές SiO2 + παραπληρωματικά ορυκτά ανάλογα με τη σύσταση του μητρικού πετρώματος Περιβαλλοντική σημασία: Ικανότητα προσρόφησης μετάλλων σημασία στην διασπορά ρύπων στο περιβάλλον Σημασία στην έρευνα κοιτασμάτων Οδηγός για τον εντοπισμό μεταλλοφορίας μικτών θειούχων