ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΓΕΩΧΗΜΕΙΑ Ενότητα 4: Γεωχημικά θερμόμετρα, Εφαρμογές της γεωχημείας στην αναζήτηση κοιτασμάτων, Πρωτογενές και Δευτερογενές Περιβάλλον 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 4 Ο φοιτητής μετά το πέρας της 4 ης ενότητας θα πρέπει να γνωρίζει: Τον ορισμό και το ρόλο των γεωχημικών θερμομέτρων και των γεωχημικών ανωμαλιών στην αναζήτηση κοιτασμάτων, το Πρωτογενές και Δευτερογενές Περιβάλλον. 4
Περιεχόμενα ενότητας 4 Γεωχημικά θερμόμετρα, βαρόμετρα. Γεωθερμομετρία ισοτόπων. Εφαρμογές της γεωχημείας στην αναζήτηση κοιτασμάτων. Γεωχημικές Ανωμαλίες. Διασπορά των γεωχημικών στοιχείων. Πρωτογενές και Δευτερογενές Περιβάλλον. 5
Γεωχημικά θερμόμετρα, βαρόμετρα 1/4 Οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν κατά το σχηματισμό ενός ορυκτού ή μιας παραγένεσης ορυκτών, καθορίζουν τη χημική ισορροπία που επιτεύχθηκε και διατηρήθηκε κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας σχηματισμού. Ορυκτολογικά συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν από την παραγένεση, την πολυμορφία και τη σταθερότητα των ορυκτών, καθώς επίσης και από τα εγκλείσματα ή τις αποσμήξεις που παρατηρούνται σε αυτά. 6
Γεωχημικά θερμόμετρα, βαρόμετρα 2/4 Η χημική γεωθερμομετρία αποτελεί ένα πολύ ελπιδοφόρο πεδίο έρευνας για την ερμηνεία των συνθηκών γένεσης των διαφόρων ορυκτολογικών παραγενέσεων. Ιδιαίτερες πληροφορίες για τις θερμοδυναμικές συνθήκες γένεσης των ορυκτών μας δίνει και η μικροπαραγένεση των ορυκτών. Με τον όρο μικροπαραγένεση εννοούμε τα ιχνοστοιχεία, τα εγκλείσματα, τις ομάδες ορυκτών και την κατανομή των ισοτόπων που εμφανίζονται στα ορυκτά μιας ευρύτερης παραγένεσης ορυκτών. 7
Γεωχημικά θερμόμετρα, βαρόμετρα 3/4 Αξιόπιστο «γεωθερμόμετρο» αποτελεί επίσης η εμφάνιση του Sc 3+ ως ιχνοστοιχείου στα πυριτικά ορυκτά. Έτσι παρατηρείται μια αύξηση της περιεκτικότητας Sc 3+ στο βιοτίτη όσο μειώνεται η θερμοκρασία σχηματισμού του. Η περιεκτικότητα Al και Ti στο ορυκτό κεροστίλβη αποτελεί επίσης γεωθερμόμετρο των συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας κατά τη θερμοδυναμική μεταμόρφωση. 8
Γεωχημικά θερμόμετρα, βαρόμετρα 4/4 Σε συνθήκες χαμηλής πίεσης μειώνεται η περιεκτικότητα Al στην κεροστίλβη, ενώ με αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται και η περιεκτικότητα αυτού του ορυκτού σε Ti. 9
Γεωθερμομετρία ισοτόπων 1/6 Ο «συντελεστής κατανομής ισοτόπων α» ενός χημικού στοιχείου σε ένα ορυκτό είναι ένα θερμοδυναμικό μέγεθος και ως τέτοιο εξαρτάται από τη θερμοκρασία σχηματισμού του συγκεκριμένου ορυκτού. Η τιμή του α δεν επηρεάζεται από την πίεση επειδή η μεταβολή όγκου που προκαλείται από την αλληλοαντικατάσταση ισοτόπων ενός στοιχείου σε ένα ορυκτό είναι ασήμαντη. 10
Γεωθερμομετρία ισοτόπων 2/6 Συνεπώς ο λόγος των ισοτόπων ενός χημικού στοιχείου σε ένα δείγμα αποτυπώνει τη θερμοκρασία τη στιγμή του σχηματισμού, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση της θερμοκρασίας τη στιγμή του σχηματισμού του ορυκτού που εξετάζεται. Με τη μέθοδο της γεωθερμομετρίας ισοτόπων οξυγόνου μπορεί κανείς να υπολογίσει επίσης την εκάστοτε θερμοκρασία των ωκεανών στις διάφορες περιόδους των παγετώνων και στα μεσοδιαστήματά τους. 11
Γεωθερμομετρία ισοτόπων 3/6 Ο συντελεστής κατανομής ισοτόπων α υπολογίζεται από το λόγο των ισοτόπων ενός χημικού στοιχείου σε δύο δείγματα Rx και Ry:. α = Rx / Ry = ( 18 O / 16 O)Νερού / ( 18 O / 16 O)Υδρατμών. Η μεταβολή της τιμής του α στο σύστημα CaCO 3 -H 2 O είναι 0.0003 ο /C. Στους 0 ο C η τιμή του α για το συγκεκριμένο σύστημα είναι α=1,025. Για τον καθορισμό των συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας θειούχων ορυκτών ιδιαίτερο ενδιαφέρον εμφανίζει ο λόγος ισοτόπων του θείου. 12
Γεωθερμομετρία ισοτόπων 4/6 Χαρακτηριστικά ζεύγη ορυκτών αποτελούν το γαληνίτης (PbS)-σφαλερίτης (ZnS) και το σιδηροπυρίτης (FeS 2 )- σφαλερίτης (ZnS). Παρατηρήθηκε ότι το βαρύ ισότοπο του θείου 34 S συγκεντρώνεται στα θειούχα ορυκτά ως εξής:. Σιδηροπυρίτης > Σφαλερίτης > Χαλκοπυρίτης > Γαληνίτης. 13
Γεωθερμομετρία ισοτόπων 5/6 Ως γεωθερμόμετρο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί και ο λόγος ισοτόπων του άνθρακα σε ανθρακικά ορυκτά με την εξέταση της ισορροπίας ισοτόπων του άνθρακα μεταξύ του ανθρακικού ασβεστίου και του διοξειδίου του άνθρακα. Προϋπόθεση για την εφαρμογή αυτής της μεθόδου είναι η γνώση των ισοτόπων του άνθρακα στο διοξείδιο του άνθρακα και η θαλάσσια προέλευση του ανθρακικού ασβεστίου. 14
Γεωθερμομετρία ισοτόπων 6/6 Με την αντίστροφη διαδικασία μπορούμε να καθορίσουμε το λόγο ισοτόπων του άνθρακα στο διοξείδιο του άνθρακα εφόσον έχει καθοριστεί η θερμοκρασία σχηματισμού των ανθρακικών ορυκτών με κάποια άλλη μέθοδο γεωθερμομετρίας. 15
Εφαρμογές της γεωχημείας στην αναζήτηση κοιτασμάτων 1/4 Αντικείμενο της γεωχημικής αναζήτησης κοιτασμάτων είναι η εφαρμογή των θεωρητικών γνώσεων της γεωχημείας στον εντοπισμό κοιτασμάτων. Εκτός της αναζήτησης πρώτων υλών, η γεωχημεία συμβάλλει και στην ερμηνεία και κατανόηση των συνήθως δύσκολων γενετικών διεργασιών των κοιτασμάτων. Ιδιαίτερα στον τομέα της γενετικής ερμηνείας, πρέπει κανείς να αντιληφθεί ότι η γεωχημική ανάλυση δεν μπορεί από μόνη της να δώσει απαντήσεις και χρειάζεται τη συνέργεια της κοιτασματολογίας, της γεωλογίας και της φυσικοχημείας. 16
Εφαρμογές της γεωχημείας στην αναζήτηση κοιτασμάτων 2/4 Στο σχηματισμό ενός κοιτάσματος συμμετέχουν συνήθως πολλοί γεωλογικοί παράγοντες, κυριότεροι των οποίων είναι οι παρακάτω: o Θερμική, μηχανική ενέργεια, βαρύτητα. o Μέσο μεταφοράς (αέρας, υδρατμοί, υγρά). o Εν διαλύσει ουσίες (από το μητρικό πέτρωμα ή αλλού). o Υλικά σε αέρια μορφή. o Βιολογική δράση (βακτήρια). 17
Εφαρμογές της γεωχημείας στην αναζήτηση κοιτασμάτων 3/4 Κύριο εργαλείο της γεωχημικής αναζήτησης κοιτασμάτων αποτελεί η «γεωχημική ανωμαλία». Με τον όρο αυτό χαρακτηρίζουμε μια περιοχή η οποία εμφανίζει ασυνήθιστα υψηλές συγκεντρώσεις σε κάποια χημικά στοιχεία. Η γεωχημική ανωμαλία είναι αποτέλεσμα της διασποράς και συγκέντρωσης χημικών στοιχείων γύρω από ένα κρυμμένο κοίτασμα, στα πλαίσια του γεωχημικού κύκλου των χημικών στοιχείων. 18
Εφαρμογές της γεωχημείας στην αναζήτηση κοιτασμάτων 4/4 Τα όρια μεταξύ μιας γεωχημικής ανωμαλίας και των τιμών υποβάθρου μιας περιοχής είναι πιθανόν να υποδεικνύουν και τα όρια μεταξύ του κοιτάσματος και του στείρου μητρικού πετρώματος. Η περιοχή μεταξύ κοιτάσματος και στείρου μητρικού πετρώματος, όπου οι τιμές συγκέντρωσης των χημικών στοιχείων είναι μικρότερες από τις τιμές στο κοίτασμα και μεγαλύτερες από αυτές του μητρικού πετρώματος, χαρακτηρίζεται «αυλή διασποράς ή άλω». Διακρίνουμε την «πρωτογενή» και τη «δευτερογενή» διασπορά. 19
Παράδειγμα Γεωχημικής Ανωμαλίας (Huff 1952) Εικόνα 1: Παράδειγμα Γεωχημικής Ανωμαλίας (Huff 1952) (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 134). 20
Πρωτογενές, Δευτερογενές Περιβάλλον, Γεωχημικός Κύκλος Στη Γεωχημεία διακρίνουμε διασπορά χημικών στοιχείων σε πρωτογενές ή σε δευτερογενές περιβάλλον. Οι αλληλοεπιδράσεις και η ανταλλαγή ύλης μεταξύ πρωτογενούς και δευτερογενούς περιβάλλοντος χαρακτηρίζονται ως γεωχημικός κύκλος της ύλης. 21
Ο μεγάλος γεωχημικός κύκλος Εικόνα 2: Ο μεγάλος γεωχημικός κύκλος. (Ανακτήθηκε από 27 Μαρτίου 2015) 22
Στοιχειακές παραγενέσεις 1/3 Κάποια χημικά στοιχεία εμφανίζουν μια συνεχή συνύπαρξη μεταξύ τους, ανεξάρτητα με τις επικρατούσες συνθήκες. Η ύπαρξη αυτών των «στοιχειακών παραγενέσεων» αποτελεί πολύτιμο εργαλείο στην γεωχημική αναζήτηση κοιτασμάτων. Τα αίτια της συνύπαρξης μπορεί να είναι χημικά (π.χ. παρόμοιες χημικές ιδιότητες) ή φυσικά (π.χ. παρόμοια ιοντική ακτίνα). Και στις δύο περιπτώσεις τα στοιχεία αυτά εμφανίζονται σε παρόμοιες ορυκτολογικές φάσεις ή αλληλοαντικαθιστώνται στο κρυσταλλικό πλέγμα κάποιων ορυκτών. 23
Στοιχειακές παραγενέσεις 2/3 Τέτοια ζεύγη ή ομάδες στοιχείων είναι:. K-Rb, Ca Sr, Al Ga, Si Ge, Zr Hf, Nb Ta, σπάνιες γαίες, Pt- Ru-Rh-Pa-Os-Ir, Zn-Cd, S-Se και U-Th. Η εξάπλωση μιας άλω μέσα σε ένα συμπαγές πέτρωμα μπορεί να εκτείνεται από μερικά εκατοστά έως μερικά χιλιόμετρα και παριστάνεται γραφικά με μια λογαριθμική καμπύλη (μικρή απομάκρυνση από τη ζώνη a, μεγάλη πτώση περιεκτικότητας), η κλίση της οποίας εξαρτάται κυρίως από τους εξής παράγοντες:. 24
Στοιχειακές παραγενέσεις 3/3 o Κινητικότητα των στοιχείων. o Ρωγμές, σχισμές, διακλάσεις στο πέτρωμα. o Πορώδες μητρικού πετρώματος. o Τάση των διαλυμάτων για αντίδραση με το γειτονικό πέτρωμα. o Πτητικότητα των χημικών στοιχείων. 25
Σχηματική παράσταση μιας πρωτογενούς άλω Εικόνα 3: Σχηματική παράσταση μιας πρωτογενούς άλω (Bender, 1981, στο Σ.Γ. Σαββίδης, Εφ/μένη, Περιβ/κη και Αναλυτικήκή Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 136). 26
Γεωχημικός συντελεστής εμπλουτισμού 1/3 Ο αριθμός ο οποίος δηλώνει πόσες φορές είναι μεγαλύτερη η συγκέντρωση ενός χημικού στοιχείου από την κανονική-φυσιολογική περιεκτικότητα του στοιχείου αυτού σε ένα γεωλογικό σχηματισμό. Ο συντελεστής εμπλουτισμού για ένα χημικό στοιχείο προκύπτει μαθηματικά από το πηλίκο της συγκέντρωσης ενός δείγματος προς το μέσο όρο όλων των δειγμάτων στο συγκεκριμένο στοιχείο. 27
Γεωχημικός συντελεστής εμπλουτισμού 2/3 Εάν η υπολογισθείσα τιμή υποβάθρου για το Cu είναι π.χ. 20 ppm και η περιεκτικότητα ενός συγκεκριμένου δείγματος σε Cu μετριέται στα 100 ppm, ο συντελεστής εμπλουτισμού είναι Σ.Ε.= 100/20 = 5. Έτσι μπορούν να καθοριστούν τα όρια μιας γεωχημικής ανωμαλίας ή μιας γεωχημικής άλω, ανάλογα με το που τοποθετεί κανείς τις φυσιολογικές τιμές, π.χ. Σ.Ε.>1 ή Σ.Ε.>2 κτλ. 28
Γεωχημικός συντελεστής εμπλουτισμού 3/3 Εικόνα 4: Γεωχημικός συντελεστής εμπλουτισμού (Σ.Γ. Σαββίδης, Εφαρμοσμένη, Περιβαλλοντική και Αναλυτική Γεωχημεία, 2012, ISBN: 978-960-93-3759-5, Σελ. 136). 29
Γεωχημικές και Μεταλλογενετικές επαρχίες Η πρωτογενής κατανομή δεν αποτελεί κριτήριο για τον καθορισμό μόνο τοπικών γεωχημικών ανωμαλιών, αλλά και για τις ονομαζόμενες «γεωχημικές επαρχίες», ήτοι εκτεταμένους γεωλογικούς σχηματισμούς οι οποίοι εμφανίζουν μεγαλύτερη περιεκτικότητα κάποιων χημικών στοιχείων, σε σύγκριση με τη μέση τιμή της γης. Κάποιες γεωχημικές επαρχίες είναι προ πολλού γνωστές ως «μεταλλογενετικές επαρχίες». Τέτοιες είναι π.χ. τα κοιτάσματα χαλκού της Νότιας Αμερικής (Περού, Χιλή) και τα μικτά θειούχα κοιτάσματα (Pb-Zn) της Βαλκανικής χερσονήσου. 30
Τέλος Ενότητας