Τυρφογένεση και εξελικτική πορεία τυρφώνων στην Ελλάδα

Abstract

The geological study of modern peat-forming environments contributes significantly to the understanding of the complexity of the mire functions, as well as the effective management of these sensitive ecosystems; it is the key to elucidate the coal-forming conditions that prevailed during past geological times. The present study focuses on the processes taking place in the peatigenic layer (acrotelma), in order to trace the alteration of physical, chemical and petrographical features of the organic sediments in connection with the peat forming factors, such as the climate conditions and the local geological frame. It is of particular interest to detect the transformation stages of the initial plant material to peat constituents, and the correspondence to the respective ecological conditions. The ulterior aim is to propose a model for interpreting the coal-forming palaeoenvironmental conditions. Finally, the mobility of the toxic trace elements is evaluated, in case of peat utilization for power generation in the future. Cores from the intermontane peatlands of Philippi (Prefecture of Kavala) and Nissi (Prefecture of Pella) in Northern Greece and the coastal peatland of Keri (Zakynthos Island) in Southern Greece, were examined. The study covered the entire peat accumulation time span in the peatlands of Nissi and Keri, whereas in this of Philippi the period from Upper Weichselian till Middle Holocene has been studied. The Nissi and Keri peatlands are active mires, whereas the Philippi peatland is drained and is under intense cultivation. The objective was to determine the qualitative and quantitative characteristics of the organogenic sediments hosted in the peatlands and additionally, of the peat-forming plants that grow on the surface of the Nissi and Keri mires. A series of laboratory examinations were performed on the collected samples, including proximate and ultimate analyses, mineralogical determinations by applying X-ray diffraction and SEM, inorganic geochemical analyses using XRF, ICP-OES and ICP-MS, organic geochemical analyses using ¹³C CP/MAS NMR, FTIR and py-GC/MS techniques and organic petrographical examinations on intact samples. Regarding the mineralogical determinations a method for full quantification of the mineral phases has been developed taking into account the pattern of the organic phases. Additionally the application of X-ray diffraction in oxidized peat residues has been evaluated. The Philippi and Nissi peatlands comprise similar peat-forming environments, since: (a) both developed in intermontane basins, the subsidence of which is controlled mainly by the tectonic activity, (b) Cyperaceae, mainly Cladium mariscus and various Carex spp., constitutes the main peat-forming plants, (c) whereas both are affected by karstic waters. They are fens for most of the peat accumulation period. On the contrary, in Keri the peat accumulation developed in a coastal environment due to paludification controlled both by the tectonic activity and the eustatic sea level changes, and the environment is characterized as a brackish mire, where additionally Scirpus maritimus και Juncus maritimus thrive. Regarding the hydrological conditions it is revealed that at Philippi and Nissi the depositional conditions were mesotrophic with mean ash values 34 and 35 wt.-%, respectively, whereas at Keri the conditions were mostly rheotrophic (mean ash value: 46 wt.-%). The narrowness of the basins is the main factor that controls the inorganic influx in Nissi and Keri mires, resulting in enhanced deposition of clastic silicates. At Philippi the deposition of inorganic phases is influenced by flooding events; nevertheless, the intensity depends significantly on the climate conditions. It appeared that silicate minerals deposited mainly during the dry and cold periods, whereas carbonates prevailed during the warm and wet periods. In all the peatlands the clastic mineral fraction reflects the surrounding rock formations, and hence differentiations occur, while the authigenic minerals are common; calcite, gypsum, pyrite, weddellite and opal are the main authigenic minerals. The marine influence in the Keri peatland is traced by the significant amounts of halite and pyrite. The qualitative features of the organic matter in the Philippi and Nissi sediments are similar, revealing the dominance of hydrocarbons and secondary of aliphatic moieties, indicating the prevalence of herbaceous plants. In terms of organic petrography huminite dominates, with vertical alternations in the predominance of telohuminite versus detrohuminite. These alternations are mostly connected with the accumulation intensity of root systems in the subsurface. On the contrary, the Keri peat is relatively enriched in aliphatics corresponding to liptinite; this is due to the establishment of the rheotrophic conditions, resulting also to low C/N values and high H/C values. Additionally the "sedimentary" organic fraction prevails against the "sedentary" in the Keri peat, as a result of intense fragmentation of the organic matter and the hypo-autochthonus deposition. The organic matter of the Philippi and the Nissi peatland reveals moderate to intense humification, whereas the gelification is enhanced in Philippi peat, particularly in layers affected by significant carbonate sedimentation. The decomposition of organic substances like cellulose, was accelerated during the warm and wet period of the Holocene, whereas in contrast the decomposition rate was declined during the Upper Weichselian. Moreover, the layers deposited during periods of severe drought (like the Younger Dryas) are enriched in inertinite (up to 30 vol.-%) and mineral matter. It is concluded that the peat accumulation rate reveals positive correlation with the tissue preservation index (TPI). Taking in consideration the peat-forming features in the three studied peatlands the coal facies indices were modified in order to reflect more precisely the syngenetic processes in the acrotelma. Additionally a model is provided that describes both qualitatively and quantitatively the characteristics of the organogenic sediments deposited in the telmatic and the limnotelmatic fields. Furthermore, the coalification pathways of the studied sediments are interpreted, in order to obtain diagnostic parameters that can be applied to coal palaeoenvironmental studies. The Philippi and Nissi peatlands can be regarded as modern analogues of the largest Greek lignite deposits, such as those of Drama and Ptolemais, whereas the brackish mire of Keri is an analogue to the lignite deposits in Western and Southern Peloponnese (Koroni). Regarding the behaviour of the toxic trace elements in case of utilization of the Philippi peat for power generation, it is concluded that special attention should be paid for the elements: As, Cr, Mo, Ni, S, Se, Sr, U, V and W, since these elements are affiliated either to the organic matter or the sulphides and reveal significant mobility during combustion.

Η γεωλογική μελέτη των σύγχρονων τυρφογενετικών περιβαλλόντων συμβάλλει στην κατανόηση των λειτουργιών τους και την αποτελεσματικότερη διαχείριση των ευαίσθητων αυτών οικοσυστημάτων, ενώ ταυτόχρονα αποτελεί το κλειδί για την κατανόηση του σχηματισμού των γαιανθράκων σε παλιότερες γεωλογικές εποχές. Στην παρούσα διατριβή διερευνώνται οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο τυρφογενές στρώμα, έτσι ώστε να ανιχνευθούν οι μεταβολές των φυσικών, πετρογραφικών και χημικών χαρακτηριστικών των οργανικών ιζημάτων συναρτήσει των παραμέτρων τυρφογένεσης, όπως το κλίμα και οι τοπικές γεωλογικές συνθήκες. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην ερμηνεία των σταδίων μετασχηματισμού της αρχικής φυτικής ύλης σε τύρφη, κατά τα στάδια της χουμοποίησης και ζελατινοποίησης, καθώς και η αντιστοίχιση των διεργασιών με συγκεκριμένες οικολογικές συνθήκες. Απώτερο στόχο συνιστά η μοντελοποίηση παλαιοπεριβαλλόντων γένεσης των γαιανθράκων. Τέλος αξιολογείται η συμπεριφορά των ορυκτών, η γεωχημική συγγένεια και η κινητικότητα των ιχνοστοιχείων σε ενδεχόμενη αξιοποίηση της τύρφης για ενεργειακούς σκοπούς. Η έρευνα εστιάστηκε στους ενδοηπειρωτικούς τυρφώνες Φιλίππων (Ν. Καβάλας) και Νησιού (Ν. Πέλλας) στη Βόρεια Ελλάδα και στον παράκτιο τυρφώνα του Κεριού (Ν. Ζακύνθου). Η τυρφογένεση είναι ενεργή στο Νησί και το Κερί, ενώ ο τυρφώνας των Φιλίππων βρίσκεται υπό καθεστώς έντονης αγροτικής καλλιέργειας. Η μελέτη κάλυψε το σύνολο του χρονικού διαστήματος τυρφογένεσης στους τυρφώνες Νησιού και Κεριού, ενώ όσον αφορά στον τυρφώνα των Φιλίππων μελετήθηκε το διάστημα του Ανώτερου τμήματος της Τελευταίας Παγετώδους Περιόδου έως το Μέσο Ολόκαινο. Εξετάστηκαν τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά των οργανικών και ανόργανων ιζημάτων που πληρούν τους τυρφώνες, αλλά και τα αντίστοιχα τυρφογενετικά φυτικά είδη, που αναπτύσσονται στους ενεργούς τυρφώνες Νησιού και Κεριού. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκαν προσεγγιστική και στοιχειακή ανάλυση, ορυκτολογικοί προσδιορισμοί, εξέταση στιλπνών τομών με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, αναλύσεις τόσο της ανόργανης χημικής σύστασης (XRF, ICP/OES, ICP/MS), όσο και της οργανικής χημικής σύστασης (¹³C CP/MAS NMR, FTIR, py-GC/MS), όπως επίσης και ανθρακοπετρογραφικοί προσδιορισμοί. Αναφορικά με τους ορυκτολογικούς προσδιορισμούς εφαρμόστηκε μέθοδος πλήρους ποσοτικοποίησης των ορυκτών φάσεων με εφαρμογή περιθλασιμετρίας ακτινών Χ σε ξηρό δείγμα, συνυπολογίζοντας την επίδραση του οργανικού υλικού. Αξιολογήθηκε επίσης η εφαρμογή περιθλασιμετρίας ακτινών Χ σε υπολείμματα οξείδωσης της τύρφης. Οι τυρφώνες Φιλίππων και Νησιού συνιστούν παρόμοια περιβάλλοντα τυρφογένεσης, καθώς και οι δύο αναπτύσσονται σε ενδοηπειρωτικές λεκάνες, των οποίων η βύθιση ελέγχεται κυρίως από τεκτονικούς παράγοντες, με την ανάπτυξη παρόμοιων τυρφογενετικών φυτικών ειδών, όπως Cyperaceae και ειδικότερα το ασβεστόφιλο Cladium mariscus και διάφορα Carex spp., ενώ επηρεάζονται στη σύγχρονη εξέλιξη τους τουλάχιστον και οι δύο από καρστικούς υδροφόρους, συνιστώντας τοπογενείς ποωτυρφώνες, με κύριο μορφολογικό χαρακτηριστικό την παρουσία εξάρσεων (hummocks). Αντίθετα στο Κερί η τυρφογένεση αναπτύχθηκε σε παράκτιο περιβάλλον με τη βύθιση (δηλ. το πλημμύρισμα) να ελέγχεται τόσο από τεκτονικούς παράγοντες, όσο και από τις ευστατικές κινήσεις της θάλασσας, και το πεδίο χαρακτηρίζεται ως υφάλμυρος ποωτυρφώνας. Στο Κερί πέρα από ελόφυτα γλυκών νερών, αναπτύσσονται και είδη υφάλμυρων οικολογικών συνθηκών, όπως Scirpus maritimus και Juncus maritimus, λόγω της υφαλμύρινσης του υδροφόρου ορίζοντα. Αναφορικά με την υδροφορία διαπιστώθηκε ότι η απόθεση των οργανογενών ιζημάτων ελάμβανε χώρα κυρίως υπό καθεστώς μεσοτροφικών συνθηκών στους Φιλίππους (μέση τιμή τέφρας 34%) και το Νησί (μέση τιμή τέφρας 35%) και σε περισσότερο ρεοτροφικές στο Κερί (μέση τιμή τέφρας 46%). Οι παράγοντες που έλεγχαν την εισροή ανόργανων συστατικών στο Νησί και το Κερί είναι η κλειστή μορφολογία των λεκανών με τα απότομα πρανή, που προκαλούν εντονότερη εισροή κλαστικών πυριτικών κόκκων. Ειδικότερα στο Κερί η τύρφη παρουσιάζεται σημαντικά εμπλουτισμένη σε ανόργανα συστατικά. Στους Φιλίππους η εισροή ανόργανων συστατικών επηρεάζεται επίσης από την ένταση της προσκομιδής τους από τα περιθώρια κατά τη διάρκεια πλημμυρικών επεισοδίων, το είδος τους όμως ελέγχεται πρωτίστως από τους κλιματικούς παράγοντες, δηλαδή απόθεση κλαστικών αργιλοπυριτικών στις ξηρές και ψυχρές περιόδους και ανθρακικών στις υγρές και θερμές. Ιδιαίτερη σημασία έχει το γεγονός ότι και στους τρεις τυρφώνες τα ορυκτολογικά συστατικά και ειδικότερα το κλαστικό υλικό, αντανακλούν τις παραγενέσεις των περιθωρίων και συνεπώς παρατηρούνται διαφοροποιήσεις, ενώ αντίθετα τα αυθιγενή ορυκτά είναι παρόμοια, με κύριους εκπροσώπους τον ασβεστίτη, τη γύψο, τον σιδηροπυρίτη, τον οπάλιο και τον βεντελλίτη. Παρόλα αυτά στο Κερί η ορυκτολογική σύσταση διαφοροποιείται τόσο ποιοτικά (παρουσία αλίτη), όσο και ποσοτικά (σιδηροπυρίτης) από την επίδραση της θάλασσας. Η επίδραση της θάλασσας στο Κερί αποτυπώνεται και στις ιδιαίτερα υψηλές περιεκτικότητες διαλυμένων αλάτων και ολικού θείου. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της οργανικής ύλης στα ιζήματα των Φιλίππων και του Νησιού είναι παρόμοια, με επικράτηση υδατανθράκων και δευτερευόντως αλειφατικών ομάδων, υποδηλώνοντας την επικράτηση ποώδους βλάστησης, ενώ με πετρογραφικούς όρους επικρατεί η ομάδα του χουμινίτη, με εναλλαγές στην υπεροχή του τελοχουμινίτη και του ντετροχουμινίτη. Οι συγκεκριμένες εναλλαγές συνδέονται περισσότερο με την ένταση συσσώρευσης υπεδαφικά ριζικών συστημάτων κατά την επικράτηση αμιγώς τελματικών συνθηκών, παρά με την απόθεση βλαστών. Αντίθετα στο Κερί διαπιστώνεται μεγαλύτερη συμμετοχή αλειφατικών ομάδων, που προέρχονται από maceral της ομάδας του λειπτινίτη. Η αυξημένη περιεκτικότητα λειπτινίτη οφείλεται στην ανάπτυξη περισσότερο υδρόφιλης βλάστησης στις ρεοτροφικές συνθήκες και συνδέεται με τις χαμηλότερες τιμές του λόγου C/N και τις υψηλότερες του λόγου H/C. Επιπρόσθετα στο Κερί εμφανίζει υπεροχή το ιζηματογενές οργανικό κλάσμα, με κύριο χαρακτηριστικό την έντονη θρυμματοποίηση της οργανικής ύλης, που επιδεινώθηκε σε επεισόδια υποαυτόχθονης απόθεσης. Τα οργανικά συστατικά στους Φιλίππους και το Νησί παρουσιάζουν μέτρια έως αυξημένη χουμοποίηση, ενώ η ζελατινοποίηση είναι ελαφρώς εντονότερη στους Φιλίππους, ιδιαίτερα στα στρώματα που επηρεάστηκαν από αυξημένη παρουσία ιόντων Ca²⁺. Αξίζει να τονιστεί ότι η χημική αποδόμηση των οργανικών συστατικών επιταχύνθηκε κατά τη θερμή και υγρή περίοδο του Ολοκαίνου, ενώ κατά το Ανώτερο Weichsel διαπιστώθηκε υστέρηση. Τέλος τόσο στους Φιλίππους, όσο και στο Νησί τα στρώματα που αντιστοιχούν σε έντονα επεισόδια ξηρασίας (όπως την περίοδο του Younger Dryas) αποτέθηκε αρκετός ινερτινίτης και η τύρφη εμπλουτίστηκε αντίστοιχα σε ανόργανα συστατικά. Διαπιστώθηκε επίσης ότι ο ρυθμός συσσώρευσης τύρφης παρουσιάζει θετική συσχέτιση με το δείκτη διατήρησης ιστών (ΤΡΙ). Με βάση τα χαρακτηριστικά τυρφογένεσης στους τρεις τυρφώνες τροποποιήθηκαν οι δείκτες φάσεων, που χρησιμοποιούνται στη γεωλογία γαιανθράκων, έτσι ώστε να αντανακλούν καλύτερα τις συγγενετικές διεργασίες στο ακρότελμα. Επιπρόσθετα περιγράφονται τόσο ποιοτικά, όσο και ποσοτικά τα χαρακτηριστικά των ιζημάτων στο τελματικό και το λιμνοτελματικό πεδίο, ενώ εκτιμάται επίσης και η πορεία της ενανθράκωσης των υπό μελέτη οργανογενών ιζημάτων, έτσι ώστε να εξαχθούν διαγνωστικές παράμετροι εφαρμογής στα παλαιοπεριβάλλοντα τυρφογένεσης. Οι τυρφώνες Φιλίππων και Νησιού μπορούν να θεωρηθούν ανάλογα των ενδοηπειρωτικών κοιτασμάτων Δράμας και Πτολεμαΐδας, ενώ ο τυρφώνας του Κεριού ανάλογος των παράκτιων κοιτασμάτων της Δυτικής Πελοποννήσου και της Κορώνης στη Νότια Πελοπόννησο. Αναφορικά με την περιβαλλοντική συνιστώσα σε ενδεχόμενη αξιοποίηση του κοιτάσματος τύρφης των Φιλίππων για ενεργειακούς σκοπούς, προσδιορίστηκε η χημική συγγένεια των ιχνοστοιχείων, η οποία και επηρεάζει την κινητικότητα αυτών κατά την καύση. Σημαντική κινητικότητα παρουσιάζουν τα ιχνοστοιχεία As, Cr, Mo, Ni, S, Se, Sr, U, V και W, καθώς συνδέονται είτε με το οργανικό υλικό είτε με θειούχα ορυκτά και συνεπώς θα πρέπει να ληφθεί μέριμνα για τον περιορισμό της διαφυγής τους στην ατμόσφαιρα.