ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Ενότητα 3: Γεωχημική διαφοροποίηση και Κρυσταλλοχημικοί κανόνες ενσωμάτωσης χημικών στοιχείων 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
Σκοπός ενότητας 3 Ο φοιτητής με την ολοκλήρωση της 3 ης ενότητας θα πρέπει να γνωρίζει: Την ταξινόμηση των συστατικών των ορυκτών, τη Γεωχημική διαφοροποίηση, τους κανόνες ενσωμάτωσης χημικών στοιχείων και την διαδοχή μικτών κρυστάλλων. 4
Περιεχόμενα ενότητας 3 Ορυκτογενετική και γεωχημική ταξινόμηση των συστατικών των ορυκτών. Γεωχημική διαφοροποίηση. Γεωχημική Ταξινόμηση των στοιχείων. Κρυσταλλοχημικοί κανόνες ενσωμάτωσης χημικών στοιχείων. Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία. 5
Ταξινόμηση των συστατικών των ορυκτών Εικόνα 1 : Ταξινόμηση των συστατικών των ορυκτών (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 30) 6
Γεωχημική διαφοροποίηση 1 ου βαθμού 1/4 Με αυτόν τον όρο εννοούμε πρωτίστως τη συμπεριφορά των πυριτικών μαγμάτων και τις μαγματογενείς διεργασίες διαφοροποίησης. Με την εξέλιξη του πεδίου βαρύτητας της γης συμπεριλαμβάνεται σε αυτήν την έννοια και η στρωματοειδής διάταξη των διαφόρων πετρωμάτων της σκληρόσφαιρας (φλοιός + άνω μανδύας) της γης. Ο βαρυτικός διαχωρισμός των πρώτων αποκρυσταλλωμάτων του μάγματος παίζει επίσης σημαντικό ρόλο. 7
Γεωχημική διαφοροποίηση 1 ου βαθμού 2/4 Μετά τον τελικό σχηματισμό της γης, η επιφάνειά της αναθερμαίνεται και πιθανότατα τήκεται, με αποτέλεσμα τα πρώτα ελαφροπτητικά συστατικά που σχημάτισαν την αρχέγονη ατμόσφαιρα της γης να μην μπορέσουν να συγκρατηθούν από το πεδίο βαρύτητας της γης. Αυτό ερμηνεύεται και από το μικρό ποσοστό των ευγενών αερίων στην ατμόσφαιρα της γης σε σχέση με το σύμπαν. 8
Γεωχημική διαφοροποίηση 1 ου βαθμού 3/4 Τα ανώτατα στρώματα της γης υφίστανται μια έντονη γεωχημική διαφοροποίηση πρώτου βαθμού (Πίνακας), η οποία οδήγησε στη δημιουργία των όξινων πετρωμάτων στα ηπειρωτικά τμήματα, των ιζημάτων, της υδρόσφαιρας, της ατμόσφαιρας και μιας ενεργής βιόσφαιρας. Έτσι εξηγείται η ανομοιογενής κατανομή των στοιχείων στη γη σε σχέση με το σύμπαν. Γεωλογικές και γεωχημικές παρατηρήσεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι, τόσο η επιφάνεια όσο και ο μανδύας της γης διατρέχουν από τη δημιουργία τους μέχρι σήμερα μια συνεχή εξέλιξη. 9
Γεωχημική διαφοροποίηση 1 ου βαθμού 4/4 Αναλύσεις ισοτόπων δείχνουν ότι η εξέλιξη του πυρήνα της γης έχει ολοκληρωθεί πριν 2.8 δισεκατομμύρια έτη. 10
Γεωχημική Ταξινόμηση των στοιχείων (κατά Goldschmidt) Εικόνα 2: Γεωχημική Ταξινόμηση των στοιχείων (κατά Goldschmidt) (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 63). 11
Γεωχημική διαφοροποίηση 1 ου βαθμού Με τον όρο γεωχημική διαφοροποίηση 1 ου βαθμού εννοούμε πρωτίστως τη συμπεριφορά των πυριτικών μαγμάτων και τις μαγματογενείς διεργασίες διαφοροποίησης. Με την εξέλιξη του πεδίου βαρύτητας της γης συμπεριλαμβάνεται σε αυτήν την έννοια και η στρωματοειδής διάταξη των διαφόρων πετρωμάτων της σκληρόσφαιρας (φλοιός + άνω μανδύας) της γης. Ο βαρυτικός διαχωρισμός των πρώτων αποκρυσταλλωμάτων του μάγματος παίζει επίσης σημαντικό ρόλο. 12
Η εξέλιξη της Γης κατά Schroll (1976) 1/2 Εικόνα 3: Η εξέλιξη της Γης κατά Schroll (1976) (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 47). 13
Η εξέλιξη της Γης κατά Schroll (1976) 2/2 Εικόνα 4: Η εξέλιξη της Γης κατά Schroll (1976) (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 47). 14
Ορυκτολογική σύσταση του φλοιού της γης Εικόνα 5: Ορυκτολογική σύσταση του φλοιού της γης (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 52). 15
Γεωχημική διαφοροποίηση 2 ου βαθμού 1/6 Η γεωχημική διαφοροποίηση δευτέρου βαθμού χαρακτηρίζεται από τις μεταβολές κατά τον κύκλο της ιζηματογένεσης. Οι διεργασίες ιζηματογενούς διαφοροποίησης, παρά τους περιορισμούς σε πίεση και θερμοκρασία, είναι πιο δραστικές. Μπορεί να παρομοιαστούν με μια μικτή διεργασία αποτελούμενη από ένα στάδιο θραύσης, ένα στάδιο άλεσης, ένα στάδιο βαρυτικού εμπλουτισμού και μια ακόλουθη χημική διάλυση. 16
Γεωχημική διαφοροποίηση 2 ου βαθμού 2/6 Παράγοντες που επηρεάζουν την παραπάνω διαδικασία είναι η αντίσταση στη διάβρωση των ορυκτών του μαγματογενούς κύκλου, η διαλυτότητα των ορυκτών στο νερό, η κρυσταλλοχημεία των νεοσχηματισθέντων ορυκτών, το δυναμικό οξείδωσης του ατμοσφαιρικού οξυγόνου, η προσρόφηση ιχνοστοιχείων από τα νέα ορυκτά και τα αργιλικά ιζήματα και η βιογενής επίδραση κατά την ιζηματογένεση. 17
Γεωχημική διαφοροποίηση 2 ου βαθμού 3/6 Χωρίς να υποτιμηθεί η επίδραση των γεωτεκτονικών συμβάντων στην ιζηματογενή διαφοροποίηση, πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα η επίδραση της ολοένα αναπτυσσόμενης βιόσφαιρας στις παραπάνω διεργασίες. Η συνολική ιζηματογένεση επηρεάζεται βιολογικά πολύ έντονα. Το φυτικό κάλυμμα των ηπείρων οδηγεί στη χουμική και λατεριτική αποσάθρωση. Τέλος, τα συνακόλουθα της γεωχημικής διαφοροποίησης 2ου βαθμού δεν μπορεί επίσης να είναι άνευ σημασίας για τις ενδογενείς διεργασίες. 18
Γεωχημική διαφοροποίηση 2 ου βαθμού 4/6 Κατά τη διαδικασία της μεταμόρφωσης, τα οξείδια των βυθιζόμενων ανώτερων ιζηματογενών στρωμάτων υφίστανται αναγωγή από το βιογενή άνθρακα. Το οξυγόνο που απελευθερώνεται έτσι αποδημεί πάλι προς την επιφάνεια σε μορφή νερού και διοξειδίου του άνθρακα. 19
Γεωχημική διαφοροποίηση 2 ου βαθμού 5/6 Ο ιζηματογενής γεωχημικός κύκλος είναι πιο δραστικός από το μαγματογενή, σε ότι αφορά τη νέα κατανομή των χημικών στοιχείων. Για τη συγκέντρωση των στοιχείων σε κοιτάσματα ισχύουν οι παρακάτω γεωχημικοί κανόνες:. o Ο γεωχημικός συντελεστής εμπλουτισμού μίας γεωχημικής διεργασίας μπορεί να φθάσει και τον αριθμό 10.000. Με τη δράση βιογενών διαδικασιών ο συντελεστής αυτός μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω. o Πολύ υψηλές συγκεντρώσεις και μεγάλα αποθέματα κοιτασμάτων προϋποθέτουν πολλαπλούς κύκλους εμπλουτισμού και μεγάλη διάρκεια απόθεσης. 20
Γεωχημική διαφοροποίηση 2 ου βαθμού 6/6 o Η συγκέντρωση χημικών στοιχείων σε κοιτάσματα σχετίζεται συχνά με την ιστορική εξέλιξη της γης. 21
Γεωχημική διαφοροποίηση 3ου βαθμού 1/2 Η κατανομή της ύλης στη φύση είναι καθορισμένη επακριβώς τόσο για τα κύρια χημικά στοιχεία όσο και για τα επουσιώδη, αλλά και τα ιχνοστοιχεία. Η κατανομή αυτή είναι αποτέλεσμα της φυσιολογικής συγκέντρωσής τους στη γη (μέση τιμή), της επικρατούσας πίεσης και θερμοκρασίας, καθώς επίσης και των άλλων θερμοδυναμικών και γεωχημικών συνθηκών. Ο άνθρωπος παρεμβαίνει ανησυχητικά στην κατανομή των χημικών στοιχείων ολόκληρου του πλανήτη. 22
Γεωχημική διαφοροποίηση 3ου βαθμού 2/2 Τα αποθέματα των ενεργειακών και βιομηχανικών κοιτασμάτων εξαντλούνται με γρήγορους ρυθμούς. Ένα μέρος τους παραμένει βέβαια μέσω της ανακύκλωσης εντός του κύκλου. Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις προκαλείται μια μη αναστρέψιμη διάχυση της ύλης. Πρόκειται για μια γεωχημική διαφοροποίηση 3 ου βαθμού που προκαλείται από τον άνθρωπο, εξελίσσεται γεωμετρικά και οι αρνητικές της επιπτώσεις είναι ήδη εμφανείς. 23
Ενσωμάτωση χημικών στοιχείων Η πρωτογενής γεωχημική κατανομή των στοιχείων καθορίζεται από τις χημικές ιδιότητες και τη συχνότητα κατανομής τους στη φύση. Δεδομένου ότι στην πλειοψηφία τους τα υλικά της γης βρίσκονται σε κρυσταλλική μορφή, η κατανομή της ύλης μπορεί να ερμηνευθεί με τη βοήθεια της κρυσταλλοχημείας. Οι κρύσταλλοι δομούνται από ουδέτερα άτομα ή ηλεκτρικά φορτισμένα ιόντα, των οποίων το μέγεθος, το φορτίο και το σθένος επηρεάζουν το σχήμα και την κρυσταλλική μορφή των κρυστάλλων. 24
Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία 1/6 Οι περισσότεροι φυσικοί κρύσταλλοι δεν είναι καθαρές χημικές ενώσεις, αλλά περιέχουν μικρές ή μεγάλες ποσότητες διαφορετικών χημικών συστατικών σε στερεά μορφή. Αυτοί οι κρύσταλλοι χαρακτηρίζονται «μικτοί κρύσταλλοι». Βασικό κριτήριο για το σχηματισμό ενός μικτού κρυστάλλου αποτελεί το μέγεθος των δομικών του στοιχείων, καθώς τα στοιχεία που αντικαθίστανται μεταξύ τους πρέπει να χωρούν στις κενές θέσεις. 25
Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία 2/6 Μια πολύ συνηθισμένη μορφή μικτών κρυστάλλων με μεγάλη σημασία για την γεωχημική κατανομή των στοιχείων αποτελούν οι μικτοί κρύσταλλοι αντικατάστασης. Σε αυτήν την περίπτωση κενές θέσεις του πλέγματος που διαθέτουν το ίδιο σθένος καταλαμβάνονται στατιστικά και πλήρως από διαφορετικά άτομα. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας η διαφορά μεγέθους των δομικών συστατικών ενός μικτού κρυστάλλου δεν ξεπερνά το 10%. Η μίξη των συστατικών των καθαρών ακραίων μελών μιας μικτής σειράς κρυστάλλων μπορεί να είναι πλήρης ή μερική. 26
Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία Διακρίνουμε τα εξής είδη:. 3/6 Απλή αντικατάσταση (Mg,Fe) 2 Si O 4 μετατρέπεται σε MgSiO 4 - FeSiO 4 Συζευγμένη αντικατάσταση. Απλή συζευγμένη αντικατάσταση παρατηρείται π.χ. στο ορυκτό μοναζίτης ((Ce, Ca, Th) PO 4 ), όπου δύο άτομα τρισθενούς Ce +3 αντικαθίστανται από ένα δισθενές Ca +2 και ένα τετρασθενές Th +4. Διπλή συζευγμένη αντικατάσταση συμβαίνει π.χ. στη μικτή σειρά κρυστάλλων των αστρίων. Το παράδειγμα των αστρίων. 27
Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία 4/6 Το παράδειγμα των αστρίων (συνέχεια). Κ-άστριοι : ΚAlSiO 8 : Ορθόκλαστο. Πλαγιόκλαστα: Σειρά μικτών κρυστάλλων Na Ca : Αλβίτης. NaAlSiO 8 - Ανορθίτης CaAl 2 Si 2 O 8 (μικτοί κρύσταλλοι). 28
Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία 5/6 Τα ακραία μέλη ορθόκλαστο και αλβίτης δημιουργούν μια πλήρη σειρά (απεριόριστη μίξη) μικτών κρυστάλλων και ονομάζονται άστριοι των αλκαλίων. Μικτοί κρύσταλλοι αστρίων της σειράς αντικατάστασης του Κ από το Να και αντίστροφα:. Ορθόκλαστο ΚAlSiO 8 και Αλβίτης NaAlSiO 8. 29
Μικτοί κρύσταλλοι και διαδοχία 6/6 Το ορθόκλαστο (άστριος καλίου) και το ανορθόκλαστο (άστριος του ασβεστίου) δεν παρουσιάζουν πρακτικά μικτούς κρυστάλλους. Η σειρά των μικτών κρυστάλλων καθώς και το κενό μίξης απεικονίζονται στο τρίγωνο των αστρίων. Όταν ένα άτομο μονοσθενούς νατρίου (Na +1 ) αντικατασταθεί από ένα άτομο δισθενούς ασβεστίου (Ca +2 ) δημιουργείται περίσσια θετικού φορτίου, η οποία εξισορροπείται με την αντικατάσταση ενός τετρασθενούς πυριτίου (Si +4 ) από ένα τρισθενές αργίλιο (Αl +3 ). 30
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑΣ 1/2 Δυνατότητα χρήσης των αναλυτικών γεωχημικών μεθόδων στους διάφορους κλάδους των γεωεπιστημών, όπως π.χ. στην πετρολογία, την ορυκτολογία, την υδρογεωλογία, την κοιτασματολογία, τη γενική γεωλογία, τη στρωματογραφία, την παλαιοντολογία και την προστασία του περιβάλλοντος. Η βελτίωση της ακρίβειας των χημικών αναλύσεων μας προσφέρει νέες γνώσεις για τους συσχετισμούς του χημισμού των διαφόρων ορυκτών, πετρωμάτων και κοιτασμάτων. 31
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑΣ 2/2 Ωστόσο δεν πρέπει να παραβλέπεται το γεγονός ότι η αναλυτική γεωχημεία μελετά τα γεωλογικά φαινόμενα μονόπλευρα. Έτσι θεωρείται απαραίτητο οι διαπιστώσεις της να συμφωνούν και να καλύπτονται και από τις υπόλοιπες γεωεπιστήμες. Η αναλυτική γεωχημεία αποτελεί τη βάση για την εξέλιξη ενός νεότερου επιστημονικού κλάδου των γεωτεχνικών επιστημών, της εφαρμοσμένης γεωχημείας. 32
Βασικοί κανόνες ερμηνείας γεωχημικών δεδομένων Η αναλυτική γεωχημεία αρχικά περιορίζονταν απλά σε μια συγκριτική ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Το 1924 ο V.M. Goldschmidt για πρώτη φορά εισήγαγε τον όρο «στοιχείο ιχνηλάτης, pathfinder, Leitelement». Ο Goldschmidt διαπίστωσε ότι η γνώση της κατανομής συγκεκριμένων χημικών στοιχείων αποτελεί πολύτιμο βοήθημα στη διαπίστωση των συσχετισμών σχηματισμού των διαφόρων πετρωμάτων και των κανόνων σχηματισμού διαφόρων ορυκτολογικών παραγενέσεων. 33
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ορυκτολογία 1/2 Ο εντοπισμός ξένων φάσεων σε ένα ορυκτό απαιτεί την εφαρμογή εξειδικευμένων ορυκτολογικών αναλύσεων (π.χ. χρήση μικροαναλυτή). Ένα χημικό στοιχείο ενός κρυστάλλου μπορεί να επηρεάσει ή να καθορίσει τις φυσικοχημικές ιδιότητές του, όπως είναι το σχήμα, ο σχισμός, η σκληρότητα, το χρώμα (φωταύγεια, φωσφορισμός κτλ.) και άλλες οπτικές ιδιότητες. 34
Εφαρμογές της γεωχημείας στην ορυκτολογία 2/2 Όπως υπάρχουν τα «ορυκτά δείκτες» που χαρακτηρίζουν τις εκάστοτε συνθήκες γένεσης (θερμοκρασία, πίεση, Eh, ph κτλ.) ενός σχηματισμού, υπάρχουν και «ιχνοστοιχεία δείκτες» που φιλοξενούνται στο κρυσταλλικό πλέγμα των ορυκτών υποδοχής. Παρόμοιες σκέψεις μπορούν να γίνουν και για την ύπαρξη ισοτόπων σε ένα ορυκτό. 35
Τέλος Ενότητας