Κοιτασματολογία Ενότητα 6: Γεωχημικές και ορυκτολογικές διαδικασίες Γεώργιος Χαραλαμπίδης Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος & Μηχανικών Αντιρρύπανσης ΤΕ
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 TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» 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 Ο φοιτητής με την ολοκλήρωση της 6ης ενότητας θα πρέπει να γνωρίζει τις γεωχημικές και ορυκτολογικές διαδικασίες σχηματισμού και απόθεσης κοιτασμάτων από οξείδωση και υπεργενετικό εμπλουτισμό. Επίσης να γνωρίζει την ύπαρξη και τον τρόπο δημιουργίας προϊόντων εξάτμισης και απόθεσης των κοινών αλάτων. 4
Περιεχόμενα ενότητας ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΚΑΙ ΥΠΕΡΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ. ΖΩΝΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ. ΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ. ΖΩΝΗ ΑΝΑΓΩΓΗΣ. ΑΠΟΘΕΣΕΙΣ ΚΟΙΝΩΝ ΑΛΑΤΩΝ. 5
Μάθημα 6ο 6
ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΚΑΙ ΥΠΕΡΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ (1/3) Η χημική αποσάθρωση, η οποία προκαλείται κύρια από το διαλυμένο στα επιφανειακά νερά οξυγόνο αλλά και διοξείδιο του άνθρακα οδηγεί στην οξείδωση πολλών μεταλλοφόρων ορυκτών, με αποτέλεσμα την δημιουργία διαλυμάτων, τα οποία με τη σειρά τους οξειδώνουν και διαλύουν άλλα ορυκτά. Η διεργασία αυτή λαμβάνει χώρα στην λεγόμενη ζώνη οξείδωσης, όπου έχουμε την πλήρη διάλυση και απόπλυση από τα χρήσιμα συστατικά του ενός μεταλλοφόρου κοιτάσματος, και εκτείνεται έως την πιεζομετρική επιφάνεια του υδροφόρου ορίζοντα.
ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΚΑΙ ΥΠΕΡΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ (2/3) Τα εμπλουτισμένα σε δευτερογενή ορυκτά διαλύματα, σύμφωνα με την παραπάνω διαδικασία, κατέρχονται δια της βαρύτητας τον φρεάτιο ορίζοντα και αποθέτουν τα συστατικά τους εκεί υπό τη μορφή κυρίως μικτών θειούχων ορυκτών. Έτσι σχηματίζεται η λεγόμενη ζώνη δευτερογενούς ή υπεργενετικού εμπλουτισμού η οποία είναι επίσης γνωστή και ως ζώνη αναγωγής Το τμήμα εκείνο του κοιτάσματος το οποίο δεν έχει υποστεί καμία αλλοίωση και υπόκειται των δύο παραπάνω ζωνών σχηματίζει την λεγόμενη πρωτογενή ή υπογενετική ζώνη.
ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΚΑΙ ΥΠΕΡΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΕΜΠΛΟΥΤΙΣΜΟΣ (3/3) Εικόνα 1: Ιδεατό σχήμα της κυκλοφορίας του νερού σε ομογενή περιοχή. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 9
Ζώνη οξείδωσης (1/3) Ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας είναι το νερό με το διαλυμένο μέσα σε αυτό οξυγόνο, διοξείδιο του άνθρακα και άλλα άλατα. CO 2, O 2 => (οξείδωση) FeSO 4, H 2 SO 4 (ισχυροί διαλύτες). Η 2 SO 4 + NaCl => HCl. HCl + FeSO 4 => FeCl (ισχυρό οξειδωτικό). Επίσης τα οξειδωτικά βακτηρίδια, μετατρέπουν τον Fe +2 σε Fe +3. 10
Ζώνη οξείδωσης (2/3) Εικόνα 2: Σχηματικό διάγραμμα της ζώνωσης φλέβας, η οποία έχει υποστεί παρατεταμένη οξείδωση. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 11
Ζώνη οξείδωσης (3/3) Στη ζώνη οξείδωσης λαμβάνουν χώρα δύο κυρίως χημικές μεταβολές: α) οξείδωση, διάλυση και μεταφορά των χρήσιμων συστατικών των κοιτασμάτων β) μεταβολή των μεταλλοφόρων συστατικών στις οξειδωμένες τους καταστάσεις στο τόπο σχηματισμού τους. Σιδηρούν κάλυμμα : Σκωριώδης μάζα αποτελούμενη κύρια από λειμονίτη, η οποία καλύπτει το επιφανειακό τμήμα μεταλλοφόρου φλέβας. Δημιουργείται από την οξείδωση του σιδηροπυρίτη. Σχηματισμός ιασπεροειδών (κρυπτοκρυσταλλικό υλικό αποπλυθέν από τα αργιλοπυριτικά ορυκτά): Μπορούν κατά περίπτωση να χρησιμοποιηθούν ως μεταλλογενετικοί οδηγοί στην ζώνη οξείδωσης.
Επίδραση των φυσικογεωγραφικών παραγόντων Οξείδωση και υπεργενετικός εμπλουτισμός: Διαδικασίες που ελέγχονται από δύο παράγοντες: α) κλιματολογικοί. β) μορφοτεκτονικοί.
Κλιματολογικοί παράγοντες (1/2) Ισημερινό τροπικό υγρό κλίμα Μεγάλη ανάπτυξη της ζώνης οξείδωσης Μικρή έκταση της ζώνης του υπεργενετικού εμπλουτισμού Τροπικό ξηρό κλίμα Πλούσια παρουσία της ζώνης οξείδωσης, αλλά και της ζώνης αναγωγής. Ξηρό κλίμα Σημαντική παρουσία της ζώνης οξείδωσης. Απουσιάζει πρακτικά η ζώνη υπεργενετικού εμπλουτισμού. Εικόνα 3: Κλιματολογικοί παράγοντες. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 14
Κλιματολογικοί παράγοντες (2/2) Μεσογειακό ηπειρωτικό κλίμα Ευνοείται η ανάπτυξη και των δύο ζωνών. Θερμό - υγρό κλίμα Ζώνη οξείδωσης: σχετικά καλά αναπτυγμένη. Ζώνη υπεργενετικού εμπλουτισμού: περιορισμένης ανάπτυξης. Εικόνα 4: Κλιματολογικοί παράγοντες. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 15
Μορφοτεκτονικοί παράγοντες Αρνητικός παράγοντας των φαινομένων οξείδωσης Η ταχεία και έντονη αποσάθρωση απομάκρυνση των προϊόντων αποσάθρωσης π.χ. στις ορογενετικές ζώνες. Θετικός παράγοντας των φαινομένων οξείδωσης Το μεγάλο πορώδες και η διαπερατότητα των πετρωμάτων. Εικόνα 5: Μορφοτεκτονικοί παράγοντες. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 16
Ζώνη αναγωγής (1/3) Στη ζώνη του υπεργενετικού εμπλουτισμού λαμβάνει χώρα ο εμπλουτισμός των μεταλλευμάτων με τη απόθεση θειούχων ενώσεων των μετάλλων κάτω από τη στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα. Στη ζώνη κάτω από τον φρεάτιο ορίζοντα συμβαίνει η παρακάτω διαδικασία: 5FeS 2 + 14CuSO 4 + 12H 2 O => 7Cu 2 S (χαλκοσίτης) + 5FeSO 4 + 12H 2 SO 4
Ζώνη αναγωγής (2/3) Στη ζώνη αναγωγής έχουμε τις παρακάτω χημικές αντιδράσεις: CuSO 4 + CuFeS 2 => 2CuS (κοβελίνης) + FeSO 4 CuS + Ag 2 SO 4 => Ag 2 S (αργυρίτης) + CuSO 4 Μέσα στη ζώνη του υπεργενετικού εμπλουτισμού συνυπάρχουν τα ίδια ορυκτά με διαφορετική όμως προέλευση: αυτά της πρωτογενούς μεταλλοφορίας, και αυτά τα οποία προέρχονται δευτερογενώς από τα υπεργενετικά διαλύματα, όπως είναι ο κοβελίνης και ο χαλκοσίτης. H ζώνη αυτή εκτείνεται σε ακαθόριστο βάθος.
Ζώνη αναγωγής (3/3) Εικόνα 6: Τομή του κοιτάσματος Sierra Mojada, Μεξικό. Μ : Αρχικό μεταλλοφόρο σώμα. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 19
ΕΞΑΤΜΙΣΗ Περιβάλλοντα εξάτμισης Θαλασσινές λεκάνες Ηπειρωτικές λεκάνες Περιβάλλοντα Sabkha Eπιφανειακά & νερά θερμών πηγών Εικόνα 7: Εξάτμιση. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 20
Σχηματισμός ορυκτών με τη διαδικασία της εξάτμισης Η κύρια πηγή των ορυκτών των προερχομένων από την εξάτμιση (εβαπορίτες) είναι το ωκεάνιο νερό. Περίπου 3.5 % του ωκεάνιου νερού αποτελείται από διαλυμένα άλατα, το 99.7% των οποίων συνίσταται από μόλις επτά ορυκτά. Ο αριθμός των ανθρακικών ορυκτών στους θαλάσσιους εβαπορίτες είναι μικρός σε σχέση με αυτούς που σχηματίζονται στους ηπειρωτικούς εβαπορίτες. Τα σπουδαιότερα ανθρακικά ορυκτά των θαλάσσιων εβαποριτών είναι ο ασβεστίτης, μαγνησίτης και δολομίτης.
Αποθέσεις ορυκτών αλάτων ΟΡΥΚΤΟ ΧΗΜΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ 1. Χλωρίδια Αλίτης Συλβίνης Καρναλίτης ΝaCl KCl KCl. MgCl 2. 6H 2 O 2. Χλωρίδια - Θειϊκά Καϊνίτης KCl. MgSO 4. 3H 2 O 3. Θειϊκά Λανγκμπεϊνίτης K 2 SO 4. 2MgSO 4 Πιερομερίτης (Σοενίτης) K 2 SO 4. MgSO 4. 6H 2 O Γκλασερίτης 3K 2 SO 4. Νa 2 SO 4 Πολυαλίτης CaSO 4. K 2 SO 4. MgSO 4. 2H 2 O Θεναρδίτης Νa 2 SO 4 Πίνακας 1: Αποθέσεις ορυκτών κατά την εξάτμιση του θαλάσσιου νερού. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 22
Εξάτμιση του θαλάσσιου νερού ΟΡΥΚΤΟ ΧΗΜΙΚΟΣ ΤΥΠΟΣ Μιραμπιλίτης Νa 2 SO 4. 10H 2 O Κιεσερίτης Εψωμίτης Αστρακανίτης MgSO 4. H 2 O MgSO 4. 7H 2 O Νa 2 SO 4. MgSO 4. 4H 2 O Ανυδρίτης CaSO 4 Γύψος CaSO 4. 2H 2 O Γλαουμπερίτης CaSO. 4 Νa 2 SO 4 4. Ανθρακικά Δεκαϋδρίτης Νa 2 CO 3. 10H 2 O 5. Βορικά Καλιβορίτης KMg 2 B 11 O 19. 9H 2 O Πίνακας 2: Αποθέσεις ορυκτών κατά την εξάτμιση του θαλάσσιου νερού. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 23
Ιζηματαπόθεση στο ωκεάνιο Μεταφερόμενα υλικά: νερό Τα άλατα των ωκεάνιων νερών αποτελούν κύρια την συνεισφορά των ηπειρωτικών νερών, τα οποία είναι ουσιαστικά τα διαλυμένα προϊόντα της αποσάθρωσης των πετρωμάτων και της διάλυσης από τα υπόγεια νερά. Έχει υπολογισθεί ότι ο συνολικός όγκος των διαλυμένων αλάτων σε όλους τους ωκεανούς και θάλασσες της γης, που καλύπτουν το 71% της επιφάνειάς της, είναι περίπου 22 εκατομμύρια km 3 24
Συνθήκες ιζηματαπόθεσης Εικόνα 8: Συνθήκες ιζηματαπόθεσης. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 25
Μεταβολή όγκου θαλασσινού νερού & σειρά απόθεσης διαλυμένων αλάτων. Εικόνα 9: Μεταβολή όγκου θαλασσινού νερού. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 26
Σχηματισμός θειϊκών αλάτων του ασβεστίου Εικόνα 10: Σχηματισμός θειικών αλάτων του ασβεστίου σε σχέση με τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση NaCl, σε πίεση 1 bar Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 27
Αποθέσεις κοινών αλάτων (1/2) Τα ¾ της παγκόσμιας αγοράς κοινού άλατος (αλίτη) καλύπτονται από τις αποθέσεις αυτής της κατηγορίας. Πρόκειται για κοιτάσματα φακοειδούς μορφής με κυμαινόμενο πάχος έως μερικές εκατοντάδες μέτρα. Επίσης το κοινό ή μαγειρικό άλας, λόγω της πλαστικότητάς του και του μικρού ειδικού βάρους, εμφανίζεται με τη μορφή αλατούχου δόμου, ή μανιταριού, ή σωλήνα. Οι παραπάνω εμφανίζεις είναι σωληνοειδείς σχηματισμοί αλάτων, και παρουσιάζουν ιδιαίτερη σημασία για τον λόγο ότι συνδέονται με τα κοιτάσματα πετρελαίου.
Αποθέσεις κοινών αλάτων (2/2) Τα άλατα των δόμων αρχικά υπήρχαν ως ιζηματογενή στρώματα υποκείμενα άλλων πετρωμάτων, υπό την πίεση των οποίων τα πλαστικά άλατα μέσης πυκνότητας κινούνται προς τα άνω δια μέσου των ιζημάτων μεγαλύτερης πυκνότητας και κατά μήκος ασθενικών ζωνών.
Σχηματικό διάγραμμα αλατούχου δόμου με κάλυμμα ανυδρίτη Εικόνα 11: Σχηματικό διάγραμμα αλατούχου δόμου με κάλυμμα ανυδρίτη. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 30
Εκατοστιαία σύσταση του νερού των σύγχρονων ωκεανών Άλας Περιεχόμενο (% κ.β.) Περιεχόμενο επί ξηρού υπολείμματος (% κ.β.) ΝaCl 2.723 77.76 MgCl 2 0.381 10.88 MgSO 4 0.165 4.74 CaSO 4 0.126 3.60 K 2 SO 4 0.086 2.46 CaCO 3 0.012 0.34 MgBr 2 0.007 0.22 Σύνολο 3.500 100.00 Πίνακας 3: Εκατοστιαία σύσταση του νερού των σύγχρονων ωκεανών. Πηγή: Χαραλαμπίδης Γ., 2005, Κοιτασματολογία. 31
Βιβλιογραφία 1. Jensen M. L. & Bateman A. M., 1979 : Economic Mineral Deposits. John Willey & Sons. 2. Routhier P., 1963 : Les Gisements Metalliferes, Vol. 1. Masson et Cie, Paris...32
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Γεώργιος Χαραλαμπίδης. «Κοιτασματολογία». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL.
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 34
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 35
Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφί ες: 1. Jensen M. L. & Bateman A. M., 1979 : Economic Mineral Deposits. John Willey & Sons 2. Routhier P., 1963 : Les Gisements Metalliferes, Vol. 1. Masson et Cie, Paris. 36