ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ (Υ4203) ΓΕΩΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΗΣ ΓΗΣ ΑΣΚΗΣΗ 1 η Θεωρητικό μέρος 1. Η σύσταση της γης Ο προσδιορισμός της σύστασης της Γης και των επιμέρους τμημάτων της είναι θεμελιώδους σημασίας για την Γεωλογία. Οι λόγοι των διαφόρων στοιχείων και των ισοτόπων στην Γη είναι περίπου ίδιοι με τους αντίστοιχους λόγους στους μη διαφοροποιημένους χονδρίτες. Ειδικότερα, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία η ολική σύσταση της γης (Bulk Earth) είναι περίπου ίδια με τη μέση σύσταση του χονδρίτη μετεωρίτη. Έτσι λοιπόν η μέση σύσταση της πυριτικής Γης (Bulk Silicate Earth) και η σύσταση του μανδύα και του πυρήνα υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τoυς λόγους κυρίων στοιχείων και ιχνοστοιχείων. Η σύσταση της ολικής πυριτικής Γης (ορίστηκε αρχικά από τον Mason, 1966) ως το υπόλοιπο πυριτικό υλικό που περίσσεψε μετά τον σχηματισμό του πυρήνα και αντιστοιχώντας το στην σημερινή κατάσταση της Γης, είναι: Ολική πυριτική Γη = ο σύγχρονος μανδύας + πρωτο-φλοιός = πρωταρχικός μανδύας (Bulk Silicate Earth) (Primordial Mantle) Οι λόγοι των στοιχείων που δεν εισέρχονται στον πυρήνα (λιθοφίλα) είναι οι ίδιοι στην ολική πυριτική Γη και στο μανδύα. Οι λόγοι των σιδηρόφιλων στοιχείων, δηλ. αυτών που βρίσκονται κατά προτίμηση στον πυρήνα καθορίζονται συνεπώς από τις συσχετίσεις τους στους μετεωρίτες, δηλ. χρησιμοποιούνται διαγράμματα συσχέτισης λόγων σιδηρόφιλου-λιθόφιλου έναντι λόγων λιθόφιλου-λιθόφιλου και από την σύσταση του πρωταρχικού μανδύα σε στοιχεία που δεν εισέρχονται στον πυρήνα (π.χ. ΑΙ). Η σύνθεση του πυρήνα καθορίζεται από τη διαφορά τους (Allègre et al. 1995, EPSL). Έχει βρεθεί σύμφωνα με τέτοιου τύπου υπολογισμούς ότι ο πυρήνας συνίσταται από κράμα Fe-Ni αντίστοιχης σύστασης με τους χονδρίτες, και επιπλέον περιέχει 7.3% wt. πυρίτιο (Si) και 2.3% θείο (S). Επίσης για να δικαιολογηθεί το η διαφορά τιμών πυκνότητας του πυρήνα, μεταξύ της υπολογισμένης τιμής και αυτής που προσδιορίζεται από τις σεισμικές μετρήσεις, θα πρέπει ο πυρήνας να περιέχει επιπλέον 4% wt. οξυγόνο (O).
Σχήμα 1. Ταξινόμηση μετεωριτών με βάση την ορυκτοχημεία τους.
Σχήμα 2. Σύγκριση αφθονίας στοιχείων στον ανθρακούχο χονδρίτη μετεωρίτη Allende και στην ηλιακή φωτόσφαιρα. Η διαγώνια γραμμή αντιστοιχεί στην ισότητα αφθονίας, που στατιστικά ταιριάζει με την γραμμή παλινδρόμησης. Τα ελαφριά στοιχεία Li, B και τα πολύ πτητικά στοιχεία όπως H, C, O, N αποκλίνουν απο την 1:1 γραμμή συσχέτισης. Tα Li, B, εμπλουτίζουν τους αναθρακοχονδρίτες λόγω ιοντικής συγγένειας τους με Να, Κ, Ca ενώ το Β με το Al και το Si. Τα πολύ πτητικά στοιχεία (Ο, Η, C, N, He, Ne, Ar) έχουν εμπλουτίσει την ηλιακή φωτόσφαιρα. 2. Γεωχημική ταξινόμηση των στοιχείων 1. Ταξινόμηση Goldschmidt Η πιο διαδεδομένη ταξινόμηση είναι πιθανώς αυτή του Victor Goldschmidt. Η ταξινόμηση αυτή στηρίζεται στην παρατήρηση του Berzelius, ενός Σουηδού χημικού του δέκατου όγδοου αιώνα, ότι ορισμένα στοιχεία τείνουν να σχηματίζουν οξείδια ή ανθρακικά, ενώ άλλα σχηματίζουν σουλφίδια. - Τα λιθόφιλα στοιχεία (Na, K, Si, Al, Ti, Mg, Ca) γενικά συγκεντρώνονται στα ορυκτά που σχηματίζουν τα πετρώματα του φλοιού και του μανδύα. - Τα σιδηρόφιλα στοιχεία (Fe, Co, Ni, Pt, Re, Os) έχουν συγγένεια με το σίδηρο και επομένως συγκεντρώνονται στον πυρήνα της Γης. - Τα χαλκοφίλια στοιχεία (Cu, Ag, Zn, Pb, S) σχηματίζουν εύκολα σουλφίδια. Τα ατμόφιλα στοιχεία (Ο, Ν, Η και τα αδρανή αέρια) συγκεντρώνονται στην ατμόσφαιρα. Ορισμένα στοιχεία από κάθε ομάδα τείνουν να είναι πτητικά. Το Κ είναι ένα πιο πτητικό λιθόφιλο στοιχείο από ότι το Mg ή το Ti. Τα πυρίμαχα (refractory) στοιχεία όπως το Mg ή το Cr τείνουν να συγκεντρώνονται στο στερεό υπόλειμμα μερικής τήξης.
2. Ομαδοποίηση βάση του Ιοντικού δυναμικού (Φορτίο/Ιοντική Ακτίνα) Στο ακόλουθο σχήμα προβάλεται το ιοντικό δυναμικό (φορτίο / ιοντική ακτίνα) έναντι ιοντικής ακτίνας για διάφορα μεταλλικά ιόντα. Ιοντικές ακτίνες δίνονται σε Å (10-10m). Εμφανίζονται επίσης οι καμπύλες σταθερού φορτίου (1+ έως 5+).Οι λατινικοί αριθμοί αναφέρονται στους αριθμούς συναρμογής. Αυτή η γραφική παράσταση είναι χρήσιμη για την αναγνώριση ομάδων στοιχείων με παρόμοια γεωχημική συμπεριφορά: - στοιχεία που σχηματίζουν πλέγμα: Si, Al(VI), Fe(3+), P) - στοιχεία υψηλού δυναμικού πεδίου (HFSE High Field Strength Elements): Ti, Ta, Nb, Hf, Zr, U, Th - στοιχεία λιθόφιλα μεγάλης ιοντικής ακτίνας (LILE Large Ion Lithophile Elements): K, Rb, Cs, Ba, Sr, Eu(2+), Ce, Th, U, Yb Ιοντικό Δυναμικό (Φορτίο/Ιοντική Ακτίνα) (Ιοντική Ακτίνα) Σχήμα 1. Ιοντική Ακτίνα έναντι του Ιοντικού Δυναμικού για συνήθη μεταλλικά ιόντα. Ο λόγος φορτίου προς την ακτίνα ενός ιόντος ορίζει το ηλεκτροστατικό του δυναμικό. Αυτό το δυναμικό ορίζει ένα μεγάλο αριθμό ιδιοτήτων, όπως την τάση του για την προσέλκυση ηλεκτρονίων δεσμού (ηλεκτροαρνητικότητα) ή το σχηματισμό οξυ-ανιόντων και ένυδρων ενώσεων. Η προβολή αυτού του δυναμικού έναντι της ίδιας της ιοντικής ακτίνας, η οποία είναι το μέτρο της ικανότητας του ιόντος να προσαρμόζεται σε συγκεκριμένες θέσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα των ορυκτών, είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τις γεωχημικές
ιδιότητες ενός συγκεκριμένου ιόντος (Σχήμα 1). Μεγάλα ιόντα που φέρουν ασθενή φορτία (K, Rb, Cs, Ba) δύσκολα απαντώνται στα ορυκτά του μανδύα, εκτός από τους K-άστρους, και έτσι συγκεντρώνονται στην ηπειρωτική λιθόσφαιρα. Είναι γνωστά ως λιθοφίλα στοιχεία μεγάλης ιοντικής ακτίνας (LILE). Τα μικρά ιόντα που φέρουν μεγάλα φορτία (Zr, Nb, Th, U) αναπτύσσουν έντονα ηλεκτροστατικά πεδία (στοιχεία υψηλής δυναμικού πεδίου, HFSE), επομένως δεν υποκαθιστούν εύκολα τα κύρια στοιχεία στα συνήθη πετρογενετικά ορυκτά. Οι σχετικές θέσεις των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα παραμένουν, ωστόσο, ουσιώδη και στοιχεία στην ίδια στήλη μοιράζονται κοινές γεωχημικές ιδιότητες, όπως είναι τα αλκαλικά μέταλλα (Na, K, Cs), μέταλλα αλκαλικών γαιών (Mg, Ca, Sr), αλογόνα (F, CI, Br), ή τα μεταβατικά στοιχεία της ίδιας σειράς. ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ζητούμενα 1. Ποιό ιόν Na+, K+, Rb+, Mg(2+), Ca(2+) έχει τη μικρότερη ακτίνα; Γιατί; 2. Γιατί η ιονική ακτίνα του Yb (0,99 Å) είναι μικρότερη από εκείνη του La (1,16 Å); 3. Η βάση δεδομένων PetDB database (http://www.petdb.org/) συγκεντρώνει γεωχημικά δεδομένα για βασαλτικά πετρώματα Μεσο-ωκεάνειων ραχών (MORB). Στον ακόλουθο Πίνακα 1.3 δίνονται οι συγκεντρώσεις μεταβατικών στοιχείων(transition elements) της πρώτης σειράς, σε δείγματα γυαλιών από την Μεσοωκεάνια Ράχη του Ανατολικού Ειρηνικού (East Pacific Rise - EPR) και τέλος η μέση τιμή των συγκεντρώσεων των στοιχείων αυτών για δείγματα MORB βασαλτών από ένα μεγαλύτερο αριθμό δειγμάτων. Να κάνετε κανονικοποίηση σύστασης για κάθε δείγμα έναντι της μέσης τιμής EPR. Προβάλετε τις κανονικοποιημένες τιμές σε σχέση με τον ατομικό αριθμό, και εξηγήστε γιατί τα στοιχεία παρουσιάζουν αυτήν την κατανομή. Ποιά στοιχεία μπορούν να συνδέονται σε οκταεδρικές θέσεις (πχ. στο πλέγμα του ολίβίνη, πυροξένου) ή σε τετραεδρικές θέσεις (πχ. σε οξείδια).