ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Ενότητα 9:Εφαρμογές της γεωχημείας στις Γεωεπιστήμες και την Ιατρική Χαραλαμπίδης Γεώργιος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας 9 Ο φοιτητής μετά και το πέρας της 9 ης ενότητας θα πρέπει να γνωρίζει: Τις εφαρμογές της γεωχημείας στη γεωλογία, την τεκτονική, την στρωματογραφία, και την αρχαιομετρία, όπως επίσης και στην ιατρική. 4
Περιεχόμενα ενότητας 9 Εφαρμογές της γεωχημείας στη γεωλογία, την τεκτονική και τη στρωματογραφία. Εφαρμογές της γεωχημείας στην παλαιοντολογία και την αρχαιομετρία (γεωαρχαιολογία). Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική. Το γεωχημικό υπόβαθρο ως παράγων ανθρωπίνων παθήσεων. 5
Εφαρμογές της γεωχημείας στις Γεωεπιστήμες 1/2 Οι γεωχημικές αναλύσεις συμβάλουν μεταξύ άλλων και στην επίλυση γεωλογικών, τεκτονικών και στρωματογραφικών θεμάτων και προβλημάτων, όπως: Σε παλαιομορφολογικές μελέτες. Στην ερμηνεία μαγματοτεκτονικών φαινομένων. Στον καθορισμό και χαρακτηρισμό ιζηματογενών στρωμάτων μέσω γεωχημικών τομών. 6
Εφαρμογές της γεωχημείας στις Γεωεπιστήμες 2/2 Στον καθορισμό των ισόθερμων καμπυλών της διεργασίας ψύξης μιας μαγματικής διείσδυσης ή της εξέλιξης ενός φαινομένου μεταμόρφωσης. Στην γεωχρονολόγηση. 7
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 1/9 Το γεωχημικό περιβάλλον παίζει σημαντικό ρόλο και στην ανάπτυξη της χλωρίδας μιας περιοχής. Λιθολογικό, χημικό και βιολογικό περιβάλλον βρίσκονται σε στενή σχέση μεταξύ τους. Έτσι η χλωρίδα μιας περιοχής παραπέμπει με σαφήνεια στις εκάστοτε επικρατούσες γεωχημικές συνθήκες ιζηματογένεσης. 8
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 2/9 Επίσης ο γεωχημικός χαρακτήρας ενός γεωλογικού σχηματισμού αντικατοπτρίζεται στα ίχνη των απολιθωμάτων που περιέχει. Έτσι διαπιστώνεται ότι απολιθώματα οστράκων αραγωνιτικής σύστασης περιέχουν περισσότερο Ba, Sr και Pb, ενώ ασβεστιτικά όστρακα περιέχουν περισσότερο Mg, Fe, Mn και Zn. 9
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 3/9 Στα όστρακα αποτυπώνεται επίσης ο χημικός χαρακτήρας των πετρωμάτων και η αλμυρότητα του θαλάσσιου περιβάλλοντος σχηματισμού. Όστρακα αλμυρών θαλασσών περιέχουν περισσότερο Β και Ni, αλλά λιγότερο Fe και Cu, ενώ σε περιοχές εκβολής ποταμών τα όστρακα είναι πλουσιότερα σε Cu και Ni. 10
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 4/9 Ιδιαίτερα αξιομνημόνευτη είναι ακόμη η δυνατότητα εξαγωγής συμπερασμάτων για τη πορεία του στροντίου κατά το προκάμβριο, με τη βοήθεια κάποιων απολιθωμάτων, εφόσον έχει διατηρηθεί η αρχική κατάσταση. Ο συνδυασμός της οργανικής γεωχημείας και της αναλυτικής γεωχημείας των ιχνοστοιχείων και των αναμένεται να δώσουν λύσεις σε ένα ευρύ φάσμα παλαιοντολογικών προβλημάτων. 11
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 5/9 Η γεωχημική ανάλυση μεταλλικών και ορυκτολογικών ευρημάτων προϊστορικών ανασκαφών σε συνδυασμό με τη σωστή ιστορική προσέγγιση, μπορεί να μας προσφέρουν πολύτιμες πληροφορίες για την εξέλιξη αρχαίων πολιτισμών. Εργαλεία από πετρώματα (π.χ. οψιδιανό) ή ορυκτά (π.χ. ίασπι), χρυσά κοσμήματα και νομίσματα, μεταλλικά εργαλεία, καθώς και όπλα από χαλκό, μπρούντζο, μόλυβδο και σίδηρο είναι μερικά μόνο εκ των πολυάριθμων αντικειμένων που έχουν αναλυθεί γεωχημικά. 12
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 6/9 Η γεωχημική ανάλυση αυτών των υλικών και η σύγκρισή τους με αντίστοιχα δεδομένα από εμφανίσεις στην Ευρώπη απέδειξαν με σαφήνεια την προέλευση των υλικών κατασκευής κάποιων πανάρχαιων εργαλείων και κατ επέκταση τις εμπορικές διαδρομές και τις συναλλαγές μεταξύ των λαών εκείνης της εποχής. Η προέλευση των μαρμάρων από τα οποία κατασκευάστηκαν τα λαμπρά ελληνικά γλυπτά μνημεία (Παρθενώνας κτλ.), αποσαφηνίστηκε με τη βοήθεια ισοτοπικών αναλύσεων 13 C και 18 O. 13
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 7/9 Γεωχημικά αποδείχθηκε επίσης ότι το πρώτο μεταλλικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε ποτέ ήταν ο αυτοφυής χαλκός της ζώνης αναγωγής κοιτασμάτων χαλκού της καρπαθοδιναρικής ζώνης ή της Κορνουάλλης, ο οποίος περιέχει λιγότερο άργυρο και περισσότερο αρσενικό, αντιμόνιο βισμούθιο και νικέλιο από ότι ο χαλκός μεταλλουργικής προέλευσης. Βάσει της περιεκτικότητας του μετεωριτικού σιδήρου σε νικέλιο και κοβάλτιο, αποδείχθηκε επίσης ότι το υλικό αυτό χρησιμοποιήθηκε ήδη από τους Αιγυπτίους για την κατασκευή όπλων. 14
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 8/9 Εξετάσεις σε μπρούντζινα αντικείμενα αποδεικνύονται πολύ δύσκολες εξαιτίας της τεχνολογικής παρέμβασης (πολλαπλά στάδια μεταλλουργίας) που συμβαίνει για την παραγωγή αυτού του υλικού, η οποία αλλοιώνει όλα τα γεωχημικά δεδομένα των μητρικών μεταλλευμάτων. Ακόμη δυσκολότερες είναι οι αναλύσεις αντικειμένων από μόλυβδο και κράματα μολύβδου. Σε αυτήν την περίπτωση απαιτείται η εμπλοκή της ισοτοπικής ανάλυσης σε συνδυασμό με τις φυσικοχημικές αναλύσεις. 15
Η Γεωχημεία στη παλαιοντολογία και αρχαιομετρία 9/9 Η σχέση 207 Pb/ 206 Pb εξαρτάται από την ηλικία και δεν μεταβάλλεται σε κοιτάσματα ίδιας γενετικής προέλευσης. Έτσι μπορεί κανείς εύκολα να διαχωρίσει μόλυβδο μικρότερης γεωλογικής ηλικίας από μόλυβδο παλαιοζωικής ή προκαμβριακής ηλικίας και μόλυβδο ραδιενεργούς προέλευσης. Τέλος δεν είναι αμελητέα η συμβολή της γεωχημείας στη μελέτη των αρχαίων νομισμάτων. 16
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 1/8 Οι μέσες γεωχημικές συνθήκες της επιφάνειας της γης αποτελούν το ζωτικό χώρο όλων των οργανισμών, δεδομένου ότι για να επιβιώσουν είναι υποχρεωμένοι να προσαρμοστούν σε αυτές. Οι φυσικοί παράγοντες που επηρεάζουν αυτές τις συνθήκες είναι: o τα πετρώματα. o τα εδάφη. o τα νερά. 17
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 2/8 Οι φυσικοί παράγοντες που επηρεάζουν αυτές τις συνθήκες είναι (συνέχεια): o η ατμόσφαιρα. o το μορφολογικό ανάγλυφο. o οι κλιματικές συνθήκες. o η ηφαιστειακή δραστηριότητα. 18
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 3/8 Δυστυχώς τις τελευταίες δεκαετίες προστέθηκε στους παραπάνω παράγοντες και η επίδραση της ανθρώπινης δραστηριότητας (τεχνόσφαιρα), η οποία όχι μόνο δεν προσαρμόστηκε προς τις επιταγές της φύσης, αλλά μεταβάλει και αλλοιώνει σε σημαντικό βαθμό, τουλάχιστον σε τοπικό επίπεδο, τις παραπάνω συνθήκες. 19
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 4/8 Η λειτουργία του ανθρώπου στη φύση έχει «παρασιτικό» χαρακτήρα. Χρειαζόμαστε το οξυγόνο, το νερό και τα θρεπτικά προϊόντα της βιόσφαιρας. Κάποιοι μικροοργανισμοί ενδεχομένως να συγκεντρώνουν υπερβολικές ποσότητες διάφορων χημικών στοιχείων, όπως π.χ. ουράνιο, χρυσό κτλ. χωρίς καμία παρενέργεια. Όταν όμως αυτά τα χημικά στοιχεία, μέσω τις τροφικής αλυσίδας, φθάσουν σε αυξημένες ποσότητες στον ανθρώπινο οργανισμό, εμφανίζουν τοξική δράση. 20
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 5/8 Ανάλογα με τη βιολογική επίδρασή τους τα χημικά στοιχεία διακρίνονται σε βιολογικά στοιχεία και επιβλαβή στοιχεία. Bιολογικά στοιχεία : εκτελούν ηλεκτροχημική, καταλυτική, δομική και άλλες εν μέρει ακόμη άγνωστες λειτουργίες. Τα θεμελιώδη βιολογικά ιχνοστοιχεία παίζουν σημαντικό ρόλο ως καταλύτες σε αντιδράσεις ενζύμων, όπως πρωτεϊνών και πορφυρινών, που ενεργοποιούνται με τη δράση αυτών των μετάλλων. 21
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 6/8 Τα κύρια χημικά στοιχεία που δομούν τη βιόσφαιρα είναι κατά κανόνα αυτά που έχουν ατομικό αριθμό μικρότερο από 20 (Ζ < 20), αλλά με υψηλή συγκέντρωση στη γη και το σύμπαν: o C, H, O, N, P, S, Na, K, Mg, Ca, Si και Cl. Σε αυτά προστίθενται και τα από βιολογικής σκοπιάς σημαντικά ιχνοστοιχεία, τα οποία είναι: Για τα φυτά: Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, B και Cl. Για τον άνθρωπο: Mn, Fe, Cu, Zn, Mo, Co, Cr, Ni, Sn, Se, F. 22
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 7/8 Κάθε οργανισμός χρειάζεται συγκεκριμένες ποσότητες χημικών στοιχείων για την υγιή λειτουργία του. Η έλλειψη ή η υπέρβαση αυτών των ποσοτήτων οδηγεί σε ασθένειες ή ακόμη και το θάνατο. Ιδιαίτερα επιβλαβή στοιχεία είναι αυτά που δε διασπώνται γρήγορα από τον οργανισμό και παραμένουν για μεγάλο χρονικό διάστημα αδιάσπαστα. Για τα φυτά τέτοια είναι τα στοιχεία Cu, Zn, Mo, Ni, Cd, Hg, Pb και Se. 23
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ιατρική 8/8 Για τον άνθρωπο είναι κυρίως τα βαριά μέταλλα: Cd, Hg, Pb, Tl, Pu και επιπλέον το As. Το πλουτώνιο ανήκει στα μεταβατικά στοιχεία. Κάτω από φυσιολογικές συνθήκες είναι πρακτικά μη ανιχνεύσιμο εξαιτίας του πάρα πολύ μικρού χρόνου υποδιπλασιασμού του. 24
Σχέσεις παθήσεων και συμπτωμάτων με τη Γεωχημεία Εικόνα 1: Σχέσεις παθήσεων και συμπτωμάτων με τη Γεωχημεία (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 219). 25
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 1/11 Το γεωχημικό υπόβαθρο καθορίζεται κυρίως από τους εξής παράγοντες: Τα πετρώματα και τα ορυκτά της επιφάνειας της γης. Τα εδάφη. Το ισοζύγιο του νερού. Τη μορφολογία της επιφάνειας της γης. Τις κλιματικές συνθήκες. 26
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 2/11 Το γεωχημικό υπόβαθρο καθορίζεται κυρίως από τους εξής παράγοντες (συνέχεια): Την έξοδο στην επιφάνεια υπόγειων και ηφαιστειακών υδάτων. Την ανθρώπινη επίδραση (τεχνόσφαιρα). Υψηλή συγκέντρωση επιβλαβών στοιχείων παρατηρείται:. Σε περιοχές εξόρυξης μεταλλευμάτων. Σε ηφαιστειακές-ιζηματογενείς ακολουθίες και τα μεταμορφωμένα αντίστοιχά τους. 27
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 3/11 Υψηλή συγκέντρωση επιβλαβών στοιχείων παρατηρείται (συνέχεια): Σε μαύρους σχιστόλιθους. Σε Ψαμμίτες. o Είναι προφανές ότι το γεωλογικό υπόβαθρο επηρεάζει τη δημιουργία των εδαφών και κατά επέκταση τη χλωρίδα μιας περιοχής, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη χαρτογράφησή της. 28
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 4/11 Το νερό αποτελεί επίσης σημαντικό παράγοντα διαμόρφωσης του γεωχημικού υπόβαθρου μιας περιοχής και επομένως της υγείας των ανθρώπων, καθώς χρησιμοποιείται για ύδρευση και άρδευση. Διακρίνουμε τα μαλακά νερά των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων, τα σκληρά νερά των ασβεστόλιθων και των δολομιτών και τα ορυκτά χλωριδιούχα υπόγεια νερά με υψηλή περιεκτικότητα σε επιβλαβή στοιχεία όπως F, Ba, Pb, Cd, As κτλ. 29
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 5/11 Η φυσική κατανομή των χημικών στοιχείων στην επιφάνεια της γης δεν ήταν ποτέ καθ όλη την διάρκεια της εξέλιξής της σταθερή. Εκτός από τα καταστροφικά τεκτονικά συμβάντα, παρατηρήθηκαν και μεγάλες και μαζικές εκρήξεις ηφαιστείων καθώς επίσης και πτώσεις μεγάλων μετεωριτών, γεγονότα που επηρέασαν κυρίως την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Οι παρεμβάσεις της τεχνολογίας στην γεωχημεία της ατμόσφαιρας, της υδρόσφαιρας και της πεδόσφαιρας έχουν πλέον προσλάβει παγκόσμιες διαστάσεις. 30
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 6/11 Βασικό ρόλο διαδραματίζει η συνεχώς αυξανόμενη εξόρυξη φυσικών πρώτων υλών και η τεχνολογική χρήση τους, η οποία εισάγει σε έντονους ρυθμούς νέες ποσότητες υλικών στο φυσικό ισοζύγιο της ύλης, με συνέπεια ο πλανήτης να μην είναι πλέον σε θέση να τις διαχειριστεί και να αποκαθιστά συνεχώς νέες ισορροπίες, απαραίτητες για την επιβίωσή του. 31
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 7/11 Οι κυριότερες πηγές τροφοδοσίας μεγάλων ποσοτήτων υλικών προς την ατμόσφαιρα και το ισοζύγιο της γης είναι: Η καύση συμβατικών παραδοσιακών ενεργειακών πρώτων υλών όπως γαιάνθρακες, πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Η κατανάλωση αυτών των πρώτων υλών έχει πλέον ξεπεράσει κατά πολύ τους ρυθμούς του σχηματισμού τους στη φύση. Το ίδιο ισχύει και για τα επιβλαβή χημικά στοιχεία Hg, V, As, Se, Mo και Pb. Χυτήρια και μεταλλουργική βιομηχανία. Αστυφιλία και συγκοινωνίες. 32
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 8/11 Οι κυριότερες πηγές τροφοδοσίας μεγάλων ποσοτήτων υλικών προς την ατμόσφαιρα και το ισοζύγιο της γης είναι (συνέχεια): Ελλιπής καύση και υγειονομική ταφή απορριμμάτων. Οι ποσότητες των παραγόμενων αποβλήτων έχουν ξεπεράσει κατά πολύ τις ποσότητες των υλικών που μεταφέρουν οι ποταμοί προς τους ωκεανούς. Λιπάσματα και ζιζανιοκτόνα στις γεωργικές καλλιέργειες. Πολεμικές συρράξεις. 33
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 9/11 Οι κυριότερες πηγές τροφοδοσίας μεγάλων ποσοτήτων υλικών προς την ατμόσφαιρα και το ισοζύγιο της γης είναι (συνέχεια): Ιδιαίτερη μνεία οφείλεται και στην παραγωγή ραδιενεργών νουκλιδίων κατά τις διάφορες πυρηνικές δοκιμές. Σε πυκνοκατοικημένες περιοχές τα ιζήματα των ποταμών είναι τόσο επιβαρυμένα, ώστε να μπορούν άνετα να θεωρηθούν ως φτωχά κοιτάσματα. 34
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 10/11 Οι κυριότερες πηγές τροφοδοσίας μεγάλων ποσοτήτων υλικών προς την ατμόσφαιρα και το ισοζύγιο της γης είναι (συνέχεια): Η αρνητική αυτή κατάσταση μπορεί να αντιμετωπιστεί μόνο με την μείωση τεχνογενών επιβαρυντικών διαδικασιών και τον απόλυτο έλεγχο της προκαλούμενης ρύπανσης του γεωχημικού περιβάλλοντος. 35
Το γεωχημικό υπόβαθρο: παράγων ανθρωπίνων παθήσεων 11/11 Ένα ιδιαίτερα σημαντικό εργαλείο προς αυτήν την κατεύθυνση είναι η κατασκευή από τις γεωλογικές υπηρεσίες, εκτεταμένων γενικών γεωχημικών χαρτών, οι οποίοι μέχρι τώρα έβρισκαν εφαρμογή μόνο στην αναζήτηση των κοιτασμάτων και στο εξής θα βρίσκουν εφαρμογή και στην προστασία της υγείας των ανθρώπων, καθώς θα προειδοποιούν για ενδεχόμενους κινδύνους από κάθε είδους, φυσικές και τεχνογενείς γεωχημικές μολύνσεις. 36
Τέλος Ενότητας