ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Ενότητα 2: Συχνότητα κατανομής, Γεωχημικός χαρακτηρισμός και ταξινόμηση των ύλικών 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 2 Ο φοιτητής με την ολοκλήρωση της 1 ης ενότητας θα πρέπει να γνωρίζει: Την συγκέντρωση και συχνότητα εμφάνισης των χημικών στοιχείων στο στερεό φλοιό της Γης, την ταξινόμηση και γεωχημικό χαρακτηρισμό των στοιχείων. 4
Περιεχόμενα ενότητας 2 Συχνότητα κατανομής των χημικών στοιχείων. Συγκέντρωση των γεωχημικών στοιχείων. Γεωχημικός χαρακτηρισμός των υλικών. Γεωχημική ταξινόμηση των στοιχείων. 5
Εφαρμοσμένη Γεωχημεία Η Εφαρμοσμένη Γεωχημεία περιλαμβάνει: Γενική Θεωρητική Γεωχημεία. Αναλυτική Γεωχημεία. Συνθετική Γεωχημεία. Περιβαλλοντική Γεωχημεία. 6
Στοχευμένη Ταξινόμησης της Γεωχημείας Λιθογεωχημεία. Γεωχημεία εδάφους. Γεωχημεία ποτάμιων ιζημάτων. Υδρογεωχημεία. Γεωχημεία αερίων. Γεωχημεία βλάστησης. 7
Κατανομή κύριων χημικών στοιχείων Πίνακας 1 : Πίνακας περιεκτικότητας κύριων χημικών στοιχείων σε ένα γεωχημικό δείγμα (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 11) 8
Χημική Σύσταση του στερεού φλοιού της Γης Πίνακας 2 : Η σύσταση του στερεού φλοιού της Γης σε κύρια και δευτερεύοντα στοιχεία (Γ.Π. Χαραλαμπίδης, 2005, Κοιτασματολογία, Σελ. 24 9
Μονάδες μέτρησης και παραδοχές στη Γεωχημεία 1/3 Βάσει της περιεκτικότητάς τους σε ένα γεωχημικό δείγμα, τα χημικά στοιχεία διακρίνονται σε κύρια (>1%), επουσιώδη ή δευτερεύοντα (0,1 1%) και ιχνοστοιχεία (>0,1%). Στοιχεία δείκτες ή καθοδηγητικά στοιχεία ή ιχνηλάτες (indicator elements, pathfinders). Κάποια χημικά στοιχεία που εμφανίζονται σε ελάχιστες συγκεντρώσεις γύρω από ένα κοίτασμα (κοντά ή και πολύ μακριά από αυτό, ανάλογα με την ευκινησία και διαλυτότητα του στοιχείου) και με την παρουσία τους προδίδουν την ύπαρξη του κοιτάσματος. 10
Μονάδες μέτρησης και παραδοχές στη Γεωχημεία 2/3 Τα στοιχεία δείκτες δεν αποτελούν απαραίτητα κύρια στοιχεία του κοιτάσματος, όμως εμφανίζουν οπωσδήποτε γεωχημική συγγένεια με την υπάρχουσα ορυκτολογική παραγένεση (σύνολο ορυκτών του κοιτάσματος, μεταλλοφόρα και σύνδρομα ορυκτά). 11
Μονάδες μέτρησης και παραδοχές στη Γεωχημεία 3/3 Ενδεικτικά αναφέρουμε το Αs ως δείκτη για κοιτάσματα μικτών θειούχων Pb-Zn-Cu-Ag. το B για κοιτάσματα W-Mo-Be τύπου skarn και Greisen. το Rn για όλους τους τύπους κοιτασμάτων U. το Mo για μεταμορφωμένα κοιτάσματα W-Sn. τα στοιχεία Pd, Cr, Ni για κοιτάσματα Pt. ο Ηg για μικτά θειούχα και τα στοιχεία Mo, Te και Au για πορφυριτικά κοιτάσματα Cu (copper porphyry). 12
Σχέση μεταξύ w% - g/t - ppm ppb - ppt Πίνακας 3: Σχέση μεταξύ w% - g/t - ppm ppb - ppt (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 12) 13
Τα συχνότερα επουσιώδη στοιχεία και ιχνοστοιχεία Πίνακας 4: Τα συχνότερα επουσιώδη στοιχεία και ιχνοστοιχεία (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 13) 14
Διάγραμμα φάσεων ενός δυαδικού συστήματος Διάγραμμα 1: Διάγραμμα φάσεων ενός δυαδικού συστήματος (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 22) 15
Διάγραμμα φάσεων του νερού με τριπλό σημείο Διάγραμμα 2: Διάγραμμα φάσεων του νερού με τριπλό σημείο (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 24) 16
Διαγράμματα ισορροπίας φάσεων Η διαδικασία της τήξης και της αποκρυστάλλωσης απεικονίζεται σε διαγράμματα ισορροπίας. Τα δυαδικά διαγράμματα τήξης διακρίνονται σε δύο τύπους: Οι δύο φάσεις δεν σχηματίζουν μεταξύ τους μικτή φάση. Οι δύο φάσεις σχηματίζουν μια πλήρη συνεχή σειρά μίξης. 17
Δυαδικό Διάγραμμα Διαλυτότητας Δυαδικό Διάγραμμα Διαλυτότητας. (Ημερομηνία Εισαγωγής 27/03/2015) 18
Δυαδικό Διάγραμμα Ισορροπίας Διάγραμμα 3: Δυαδικό Διάγραμμα Ισορροπίας (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 24) 19
Δυαδικό Σύστημα με πλήρη μικτή σειρά κρυστάλλων Διάγραμμα 4: Δυαδικό Διάγραμμα Ισορροπίας (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 25) 20
Τριαδικά Συστήματα Ισορροπίας 1/2 Στη φύση απαντούν πάντα συστήματα πολλών φάσεων, τα οποία για λόγους απλοποίησης και κατανόησης ανάγονται σε συστήματα τριών φάσεων (τριαδικά συστήματα). Συχνά κάθε φάση του τριαδικού συστήματος αποτελείται από ένα δυαδικό σύστημα, έτσι ώστε στην ουσία να μελετώνται τρία δυαδικά συστήματα, τα οποία χαρακτηρίζονται από συνυπάρχουσες φάσεις και συνευτηκτικές γραμμές ή επιφάνειες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το σύστημα των πυροξένων Βολλαστονίτη Ενστατίτη Φεροσυλλίτη. 21
Τριαδικά Συστήματα Ισορροπίας 2/2 Στο διάγραμμα των πυροξένων παρατηρούμε μια πλήρη μικτή σειρά κρυστάλλων Βολλαστονίτη Διοψίδιου Εδεμβεργίτη, το πεδίο σχηματισμού του Αυγίτη και του Υπερσθενή, καθώς και ένα κενό μίξης κρυστάλλων. 22
Διάγραμμα φάσεων του συστήματος των πυροξένων Διάγραμμα 5: Διάγραμμα φάσεων του συστήματος των πυροξένων (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 25) 23
Τρίγωνο των αστρίων Διάγραμμα 6: Τρίγωνο των αστρίων (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 33) 24
ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ Σε κανέναν κρύσταλλο δεν παρατηρείται η ιδανική θεωρητικά δομική κατάσταση. Παράλληλα με τα μηχανικά παρατηρούνται και χημικά λάθη. Πάντα παρατηρούνται μακροσκοπικά, μικροσκοπικά, υπομικροσκοπικά εγκλείσματα αερίων και υγρών, συμφύσεις και ξένες φάσεις, ασυνέχειες, ρωγμές, σχισμές κτλ. Ακόμη και σε επίπεδο ατομικής δομής υπάρχουν δομικά λάθη. 25
ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ Λάθη στην Κατανομή 1/3 Αντικατάσταση σε κανονικές θέσεις του κρυσταλλικού πλέγματος. Κατάληψη των ενδοπλεγματικών θέσεων. Κενά στο κρυσταλλικό πλέγμα. Λάθη στην κατανομή των ηλεκτρονίων, όπως οπές ηλεκτρονίων και διεγερμένα ηλεκτρόνια, που μπορεί να έχουν επιπτώσεις στο χρωματισμό των ορυκτών. 26
ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ Λάθη στην Κατανομή 2/3 Οι πρώτοι κρύσταλλοι που αποκρυσταλλώνονται από ένα κορεσμένο διάλυμα είναι συνήθως «ακάθαρτοι» και πλούσιοι σε εγκλείσματα. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός κρυστάλλου μπορεί να παρατηρηθούν οι εξής αντιδράσεις μεταξύ αυτού και του μητρικού διαλύματος:. 27
ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ Λάθη στην Κατανομή 3/3 Διεργασίες ανταλλαγής. Επιφανειακή απορρόφηση. Απορρόφηση. Εγκλείσματα. Στερεά διαλύματα. 28
Παράδειγμα υψηλής/χαμηλής συμμετρίας κρυσταλλικού πλέγματος Διάγραμμα 7: Παράδειγμα υψηλής/χαμηλής συμμετρίας κρυσταλλικού πλέγματος (Ανακτήθηκε 10 Απριλίου 2015) 29
Λογαριθμική συχνότητα των χημικών στοιχείων στο σύμπαν Διάγραμμα 8: Λογαριθμική συχνότητα των χημικών στοιχείων στο σύμπαν (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 42) 30
Τέλος Ενότητας