Ο Άνθρακας στους τρεις βασικούς τύπους πετρωμάτων

Ο Άνθρακας στους τρεις βασικούς τύπους πετρωμάτων

Ο Δρ I. Οικονομόπουλος μας εισάγει στην επιστημονική πλευρά του ορυκτού πλούτου με ένα άρθρο για την ύπαρξη και το ρόλο του άνθρακα στους τρεις βασικούς τύπους πετρωμάτων. Τον ευχαριστούμε για τη συνδρομή του και ευελπιστούμε ότι θα συνεχίσουμε να φιλοξενούμε άρθρα τόσο γεωλογικού περιεχομένου όσο και γενικότερα επιστημονικής προσέγγισης στον τομέα των ορυκτών και των κρυστάλλων, δίνοντάς μας την ευκαιρία να προσεγγίζουμε όσο πιο σφαιρικά γίνεται το εν λόγω αντικείμενο.

A) ΕΚΡΗΞΙΓΕΝΗ ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ

Θα πρέπει εξ’ αρχής να γίνει κατανοητό πως ο άνθρακας δεν συμμετέχει στα εκρηξιγενή πετρώματα ως συντελεστής μιας καύσιμης ύλης αλλά πραγματεύεται αυτός ως στοιχειακός ή ως κύριο συστατικό του γραφίτη και του διαμαντιού.

Προς πληρέστερη περιγραφή ο στοιχειακός άνθρακας εμφανίζεται στα εκρηξιγενή πετρώματα με δύο κρυσταλλικές μορφές, τον γραφίτη και το διαμάντι. Κάτω από σταθερές συνθήκες πίεσης ο γραφίτης είναι σταθερός για όλες τις θερμοκρασίες, ενώ το διαμάντι είναι πραγματικά σταθερό μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες.

Ειδικότερα, το διαμάντι εντοπίζεται μόνο σε υπερμαφικά πετρώματα, των οποίων η μορφή στήλης και η λατυποπαγής δομή που έχουν υποδηλώνουν ότι έχουν μετακινηθεί γρήγορα προς τα πάνω, και συγκεκριμένα από τα κατώτερα στρώματα προς τα μέσα ή κάτω από το φλοιό. Στο σημείο όπου τα αδαμαντοφόρα πετρώματα πιθανά σχηματίζονται, η πίεση λόγω του βάρους των υπερκείμενων στρωμάτων είναι αρκετή για να κάνει τα διαμάντια σταθερά. Η πηγή προέλευσης του άνθρακα στα εκρηξιγενή πετρώματα παραμένει ένα αναπάντητο ερώτημα. Στα πετρώματα που προέρχονται από διαφοροποίηση των κατώτερων τμημάτων του φλοιού ή του ανώτερου μανδύα, ο άνθρακας μπορεί να είναι ένα αρχικό συστατικό. Στο εκρηξιγενές υλικό το οποίο προέρχεται από μερική τήξη των προϋπαρχόντων πετρωμάτων μια πιθανή πηγή οργανικού υλικού είναι τα ανθρακικά των νεότερων ιζημάτων.

 

Τα καρβίδια, ενώσεις των μετάλλων με άνθρακα, δεν εντοπίζονται στα γήινα πετρώματα, αλλά έχουν αναφερθεί ως μικρά συστατικά των μετεωριτών. Η ύπαρξη τους στους μετεωρίτες οδήγησε στην υπόθεση ότι μπορεί να υπάρχουν βαθιά στο εσωτερικό της γης και ότι η αντίδραση τους με το νερό είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μεθανίου και άλλων υδρογονανθράκων που μερικές φορές εντοπίζονται στα ηφαιστειακά αέρια και στα κοιλώματα των γρανιτικών πετρωμάτων.

Τα βασικά αέρια του άνθρακα εντοπίζονται στις ατμίδες των ηφαιστειακών περιοχών, ενώ ίχνη τους εντοπίζονται επίσης στα εκρηξιγενή πετρώματα μετά από θέρμανση αυτών και είναι τα: CO2, CO και CH4. Τα σχετικά ποσά των τριών αυτών αερίων πιθανά καθορίζονται από την ισορροπία αντιδράσεων όπως:

Η2 + CO2 = CO + Η2Ο

CO + 3Η2 = CH4 + Η2Ο

Η θέση ισορροπίας εξαρτάται από τη συγκέντρωση υδρογόνου (Η2) και νερού (Η2Ο), καθώς και το επίπεδο οξείδωσης της λάβας στο οποίο τα αέρια του άνθρακα συσχετίζονται ή αλληλοαντιδρούν. To CO2 θα πρέπει να είναι το κύριο αέριο σε οξειδωτικά περιβάλλοντα (υψηλό Η2Ο), και το μεθάνιο (CH4) σε αναγωγικά περιβάλλοντα (υψηλό Η2). Αυτά τα αέρια του άνθρακα που εντοπίζονται μέσα και μαζί με τα εκρηξιγενή πετρώματα είναι πιθανά εν μέρει μαγματικής ενδογενετικής προέλευσης, αν και κάποιο από το μεθάνιο που παρατηρείται να διαφεύγει από τη λάβα που εκρέει στα εδάφη, μπορεί να εξηγηθεί πιο εύλογα ως προϊόν αποσύνθεσης της θαμμένης και θερμαινόμενης οργανικής ύλης.

Ο άνθρακας δεν εμφανίζεται συχνά με την μορφή ανθρακικών ορυκτών στα εκρηξιγενή πετρώματα, και όταν συμβαίνει αυτό τα κύρια ορυκτά που παρατηρούνται είναι ο απάτητης και ο σκαπόλιθος. Ο ασβεστίτης δεν είναι άγνωστος ως ένα μικρότερο συστατικό των συνηθισμένων εκρηξιγενών πετρωμάτων, αλλά συνήθως υπάρχει αβεβαιότητα όσον αφορά το αν αυτός είναι πρωτεύον συστατικό, ή υπόλοιπο μερικής ενσωμάτωσης των ασβεστολιθικών ξενολίθων, ή ορυκτό που σχηματίζεται αργότερα κατά την διάρκεια εξαλλοίωσης των πετρωμάτων από διαλύματα. Τα περίεργα πετρώματα που ονομάζονται “ανθρακιτίτες” (ιζηματογενή πετρώματα με CaCO3, που καταλαμβάνουν αρκετά τετραγωνικά χιλιόμετρα σε διατομή, συνίστανται κυρίως από απλά ανθρακικά πετρώματα και παρουσιάζουν έντονο συσχετισμό με το περιβάλλον), αντιπροσωπεύουν σε μεγάλη κλίμακα τα εκρηξιγενή ανθρακικά υπό την έννοια ότι πιθανότατα σχηματίστηκαν από στερεοποίηση του μάγματος που αποτελούνταν κυρίως από ανθρακική ύλη. Πρόσφατη μάλιστα πειραματική έρευνα στα υδρο-ανθρακικά συστήματα υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης έδειξε ότι τήγματα πλούσιων σε νερό ανθρακικών μπορούν πράγματι να σχηματιστούν κάτω από κατάλληλες γεωλογικές συνθήκες, αποδεικνύοντας έτσι ότι τα ανθρακικά μάγματα ως εξήγηση προέλευσης του ανθρακιτίτη δεν είναι τόσο φανταστική όσο την θεωρούσαν παλαιότερα.

Γενικά, όταν άνθρακας ή ενώσεις του εντοπίζονται μέσα ή κοντά στα εκρηξιγενή πετρώματα, προκύπτει το ερώτημα αν ο άνθρακας είναι μαγματικής (ενδογενετικής) προέλευσης ή αν προέρχεται από οργανική ύλη και ανθρακικά των παρακείμενων-γειτονικών ή ενσωματωμένων ιζηματογενών πετρωμάτων. Φαίνεται δε, πέρα από κάθε αμφιβολία ότι κάποια ποσότητα άνθρακα έχει διαφύγει από το εσωτερικό της γης στην επιφάνεια κατά την διάρκεια των γεωλογικών αιώνων, αλλά τοπικές υπαίθριες σχέσεις αποτελούν απόδειξη κυρίως της ουσιαστικής συνεισφοράς ιζηματογενών υλικών στην ύπαρξη άνθρακα στα εκρηξιγενή πετρώματα.

 

Β) ΙΖΗΜΑΤΟΓΈΝΗ ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ

Ο στοιχειακός άνθρακας στα ιζηματογενή πετρώματα εμφανίζεται μόνο με τη μορφή κλαστικών κόκκων, διαμαντιού και γραφίτη. Το κύριο μέρος του ιζηματογενούς άνθρακα βρίσκεται με τη μορφή ανθρακικών ορυκτών, αλλά μεγάλες ποσότητες συναντώνται επίσης σε διάφορα μίγματα οργανικών ενώσεων. Το οργανικά παραγόμενο υλικό είναι αυτό που έχει και το μεγαλύτερο ενδιαφέρον.

Η ονοματολογία των ιζηματογενών οργανικών υλικών είναι ασαφής και διφορούμενη. Κάτι τέτοιο είναι σχεδόν αναπόφευκτο δεδομένου του μεγάλου εύρους χαρακτηριστικών των διάφορων οργανικών μειγμάτων, της μεγάλης τοπικής ποικιλίας καθώς και των δυσκολιών εντοπισμού διαγνωστικών ιδιοτήτων πετρογραφικής ή χημικής φύσεως. Ο όρος βιτουμένιο συχνά χρησιμοποιείται πρακτικά για κάθε οργανική ύλη στα πετρώματα, αν και πιο αυστηρά αναφέρεται στα μείγματα υγρών ή στερεών υδρογονανθράκων που είναι διαλυτά σε ανθρακικές δισουλφιδικές ενώσεις. Το πετρέλαιο είναι ένα επιπλέον υγρό βιτουμένιο, ενώ η άσφαλτος ένα στερεό ή ημιστερεό βιτουμένιο με σημείο βρασμού μεταξύ 65 με 98 °C. Ο όρος βιτουμένιο θα έπρεπε να περιορίζεται αυστηρά στη στερεή ύλη που συσχετίζεται ή προέρχεται από πετρέλαια με υψηλό περιεχόμενο σε κυκλοπαραφινικούς υδρογονάνθρακες. Τα αντίστοιχα στερεά ή ημιστερεά βιτουμένια που σχετίζονται με πετρέλαιο πλούσιο σε παραφινικούς υδρογονάνθρακες ονομάζονται οζοκηρίτες και αποτελούνται κυρίως από υδρογονάνθρακες με 25 έως 29 άτομα άνθρακα στο μόριο τους. Άλλα, καλά καθορισμένα στερεά βιτουμένια είναι ο γκιλσονίτης και το κηρογόνο. Σε αντίθεση με τα βιτουμένια, οι ορυκτοί άνθρακες συνίστανται κυρίως από οργανική ύλη όχι ιδιαίτερα διαλυτή σε οργανικούς διαλύτες και περιέχουν λίγη ή καθόλου ύλη υδρογονανθράκων ως τέτοια. Οι υδρογονάνθρακες των ορυκτών ανθράκων, περιλαμβάνουν αυτούς που ανήκουν στην αλειφατική και αρωματική σειρά, ενώ, σε αντίθεση με το πετρέλαιο, περιέχουν ακόμα τη σειρά της ολεφίνης. Ένα άλλο όνομα που συχνά χρησιμοποιείται για τη στερεή οργανική ύλη και ιδιαίτερα στα οργανικά συστατικά της μαύρης σχιστής αργίλου είναι ο σαπροπηλός.

 

Γ) ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΑ ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ

Ο άνθρακας στα μεταμορφωμένα πετρώματα βρίσκεται κυρίως με τη μορφή γραφίτη και ανθρακικών ορυκτών. Ο αυξανόμενος βαθμός μεταμόρφωσης αντανακλάται συχνά στο βαθμό τελειότητας της κρυσταλλικής δομής του γραφίτη. Ο ανθρακίτης είναι προϊόν ήπιας θερμικής και τεκτονικής μεταμόρφωσης των ορυκτών ανθράκων και με αύξηση της θερμικής μεταμόρφωσης ο ανθρακίτης μετατρέπεται σε γραφίτη.

Pin It