Ορυκτολογική, ανθρακοπετρογραφική και παλαιοβοτανική έρευνα του λιγνιτικού κοιτάσματος Αχλάδας Ν. Φλωρίνης

Abstract

The Greek peninsula is an area where vivid neotectonic activity takes place and many lignite deposits are located. During the period from the Neogene to the Quaternary were formed the most economically important lignite deposits in Greece, such as Florina, Ptolemais, Megalopolis and Drama. The study of the coal-forming conditions provides information useful in exploration and utilization of this economically important raw material. The aim of the present study is the specification of the palaeoenvironment type and its different vegetation zones that evolved during the formation and evolution of the Achlada lignite deposits (Florina), the subdivision of xylitic lithotype of lignite to independent sub-lithotypes, as well as the role of the intercalated inorganic seams that appear in the same lignite-bearing sequence. In addition, it was evaluated the industrial use of intercalated inorganic horizons in ceramic industry. For this purpose many palaeobotanical, coalpetrographical and mineralogical results were combined and interpreted, while the field observations gave crucial data. A main characteristic of the Achlada lignite deposits is the high contribution of xylite lithotype in many deferent forms such as xylite mass and xylite horizons which present thickness from 2 cm to12 cm. The xylitic texture is accomplished by the presence of small xylite parts inside the lignite mass as well as roots, brenches and stems. There are also positions where in-situ huge endwise stems are present. The studied lignite-bearing sequence was formed in a forest swamp environment on the floodplain area of a meandering river system that was flowing the Achlada area. The macroscopic description of lignite horizons resulted in the classification of the organic mater into three main lithotypes: the xylite, the matrix and the mixed tissue/matrix lithotype. According to the macerals analysis the prevailing maceral group is huminite (60,7-98,2%). Liptinite contents range up to 38,3%, while inertinite content is very low (≤2,9%). These macerals contents imply that peat formation in the studied area took place under wet and anoxic conditions favorable to fine cell tissue preservation and gellification of the organic matter. The overall maceral composition of the studied lignite affected by many different factors such as the distance of the deposition site from the main channel of the meandering river system. The palaeobotanical data imply that peat-forming vegetation derives so from mixed forest palaeoenvironment as the reedmoor one. Moreover, during the evolution of the palaeomire these two palaeoenvironments were alternating one another, while the reedmoor was periodically toggled to open water one. The lignite seams derive from terrestrial higher plants mainly arboreal and herbaceous Gymnosperms and Angiosperms. In details, the Angiosperm arboreal vegetation is represented by the pollen grains of Quercus, Acer, Cyrillaceae, Carea, Ulmaceae, Ulmus, Juglans, Tilia, Alnus, Myrica, Castanea, Corylus, Carpinus, Ostrya, Salix, Betula, Betulaceae, Palmae, Pterocarya sp. and Fraxinus, as well as seeds and fruits of Meliosma pliocenica, M. wetteraviensis, and M. sp.,. Moreover, the Gymnosperm arboreal vegetation mainly consists of Taxodiaceae, Taxodium, Picea, Pinaceae, Pinus, Abies, Cedrus, Tsuga, Cupressaceae and Juniperus, as well as seeds and fruits of Glyptostrobus europaeus and G. sp.,. The herbaceous vegetation is represented by the pollen grains of Chenopodiaceae, Gramineae, Ericaceae, Compositae, Ephedra and Umbelliferae and the seeds and fruits of Batrachium sp., Sparganium sp., Decodon gibbosus, D. sp., Epipremnites ornatus, Actinidia sp., Rubus sp., Sambucus Pulchella, S. sp.1, S. sp.2, aff. Symplocos lusaticum and Vitis sp. The fern spores comprises Polypodiaceae and Osmundaceae, while the aquatic plants Nymphaceae, Nymphaea neogenicus neogenicus, Myriophyllum, Nuphar, Cyperaceae and Comaceae as well as Potamogeton sp., Potamogeton cf. piestanensis, Taddalia sp. and Nyssa sp., are present. In comparison to other lignite deposits the vegetation type from which the Achlada lignite horizons were formed is analogous to the prime vegetation that gave rise to the formation of Vevi (Florina) and Aliveri (Evia) lignite deposits. The plant communities that grew up in the studied area imply wet and warm climatic conditions with occasional dry periods; while the presence of the genera Nymphaea neogenicus neogenicus, indicates that the Achlada lignite deposits were formed during lower Pliocene. The mineralogical composition of both lignite and inorganic intercalated horizons of the lignite-bearing sequence was investigated by means of X-ray diffraction (XRD), fourier transform infra-Red (FT-IR) spectroscopy and thermo-gravimetric (TG/DTG) and differential thermal analysis (DTA). The mineral mater of lignite consists mainly of alumino-silicate minerals that were introduced occasionally into the palaeomire by surface waters during flooding events. The carbonate minerals are almost absent except from siderite, while for authigenic minerals; on the one hand the pyrite displays low content, on the other hand gypsum is present in the majority of the lignite horizons. In addition, the clay minerals prevail in all inorganic intercalated seams with illite being the dominant phase, kaolinite and chlorite to be the next. No smectite was found. The other mineral phases identified are mainly quartz and feldspars, while the presence of siderite is also remarkable. The evaluation of intercalated inorganic horizons of Achlada lignite-bearing sequence for industrial use in ceramic industry showed that these specific raw materials are appropriate for the production of red-stoneware products. In details, during the heating of these raw materials their vitrification begins from ~900 °C, while new mineral phases such as Al,Si-spinel and hematite (a-Fe₂O₃) are observed. At the temperature of ~1100°C the glaze mass prevail, enclosing both the new-formed mineral phases and rests of quartz and feldspars crystals. At the temperature of ~1200°C the formation of mullite is observed (3Al₂O₃*2SiO₂). As a whole: The Achlada lignite deposits can be divided into three different palaeoenvironments: the main river channel, the floodplain of the river system, and the oxbow lake. The floodplain model, in combination with the formation of the oxbow lake within the abandoned channel, represents a landscape with predominantly telmatic/limnotelmatic conditions and periodical flood episodes together with the deposition of fine sediments. Additionally, so the classification of inorganic raw materials on adaptable ternary diagrams as the results of their mineralogical analysis of the heated samples indicate that these particular materials are appropriate for the production of red-stoneware products in ceramic industry.

H ελληνική χερσόνησος αποτελεί μια περιοχή με έντονη νεοτεκτονική δραστηριότητα, στην οποία απαντάται ένας μεγάλος αριθμός λιγνιτικών αποθέσεων. Κατά τη διάρκεια του Νεογενούς και Τεταρτογενούς σχηματίστηκαν οι σημαντικότερες, από οικονομική άποψη, λιγνιτικές αποθέσεις όπως είναι της Φλώρινας, Πτολεμαΐδας, Μεγαλόπολης και Δράμας. Η μελέτη των συνθηκών σχηματισμού λιγνιτικών κοιτασμάτων σε συγκεκριμένα γεωλογικά περιβάλλοντα παρέχει πληροφορίες, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο κατά το στάδιο αναζήτησης νέων κοιτασμάτων λιγνίτη, όσο και μετέπειτα κατά την αξιοποίησή τους. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο προσδιορισμός του τύπου παλαιοπεριβάλλοντος και των διαφορετικών ζωνών βλάστησης αυτού, κατά τον σχηματισμό και την εξέλιξη του λιγνιτικού κοιτάσματος της Αχλάδας (Φλώρινα), η υποδιαίρεση της ομάδας του ξυλιτικού λιθότυπου σε επιμέρους λιθότυπους, όπως επίσης και ο ρόλος των ενδιάμεσων ανόργανων ιζημάτων, που εμφανίζονται στη συγκεκριμένη λιγνιτοφόρο ακολουθία. Επί πλέον, εκτιμήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης των ενδιάμεσων στείρων της εν λόγω λιγνιτοφορίας, για την παρασκευή δομικών κεραμικών. Για την επίτευξη των παραπάνω συνδυάστηκαν και ερμηνεύτηκαν τα παλαιοβοτανικά, αναθρακοπετρογραφικά και ορυκτολογικά αποτελέσματα καθώς και οι μακροσκοπικές παρατηρήσεις στην ύπαιθρο. Από την έρευνα πεδίου προέκυψε, ότι ένα από τα κυριότερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του λιγνιτικού κοιτάσματος της Αχλάδας είναι το πολύ υψηλό ποσοστό ξυλίτη, είτε ως άμορφη ξυλιτική μάζα, είτε με πολύ καλά διατηρημένες οριζόντιες στρώσεις, το πάχος των οποίων κυμαίνεται από 2 έως 12 cm. Η ξυλιτική αυτή υφή συμπληρώνεται με την εμφάνιση μικρών ξυλιτικών θραυσμάτων μέσα στη λιγνιτική μάζα, όπως επίσης και με την απόθεση ριζών, κλαδιών και κορμών δέντρων. Εντοπίστηκαν, επίσης, θέσεις στις οποίες παραμένουν “in situ” μέχρι σήμερα μεγάλου μεγέθους όρθιοι κορμοί δέντρων. Η λιγνιτοφόρος ακολουθία που μελετήθηκε σχηματίστηκε σε δασοτυρφώνα, που αναπτύχθηκε στην περιοχή του πεδίου πλημμύρας του μαιανδρικού ποτάμιου συστήματος, το οποίο διέρρεε την ευρύτερη περιοχή της Αχλάδας, ενώ από τη μακροσκοπική περιγραφή των λιγνιτικών οριζόντων προέκυψε ότι αυτοί συνίστανται, κυρίως, από τους λιθότυπους ξυλίτη, μαζώδους λιγνίτη και μεικτού ξυλιτικού/μαζώδους λιγνίτη. Από τους ανθρακοπετρογραφικούς προσδιορισμούς προέκυψε ότι επικρατεί η ομάδα του χουμινίτη (60,7-98,2%), ακολουθεί η ομάδα του λειπτινίτη (1,8-38,3%) και σε πολύ μικρά ποσοστά απαντά η ομάδα του ινερτινίτη (≤2,9%). Με βάση τα παραπάνω, η τυρφογένεση πραγματοποιήθηκε κάτω από υγρές και ανοξικές συνθήκες, ευνοϊκές τόσο για την καλή διατήρηση των κυτταρικών ιστών, όσο και για τη ζελατινοποίηση της οργανικής ύλης, ενώ επηρεάστηκε σε μεγάλο βαθμό από διάφορους παράγοντες όπως π.χ. η απόσταση της θέσης απόθεσης από το κύριο κανάλι του μαιανδρικού ποτάμιου συστήματος. Από τα παλαιοβοτανικά στοιχεία προέκυψε ότι το τυρφογενετικό φυτικό υλικό προήλθε τόσο από περιβάλλον δάσους μεικτής δενδρώδους βλάστησης, όσο και από βλάστηση χαρακτηριστική της περιοχής του καλαμοτυρφώνα. Τα δύο αυτά περιβάλλοντα εναλλάσσονταν, συνεχώς, μεταξύ τους με περιόδους μετάβασης από περιβάλλον “καλαμοτυρφώνα” σε περιβάλλον “ανοικτών νερών”. Τα λιγνιτικά στρώματα προήλθαν από χερσαία ανώτερα φυτά, κυρίως δενδρώδη και ποώδη Αγγειόσπερμα. Εξίσου σημαντική θεωρείται και η συμμετοχή των Γυμνόσπερμων δέντρων. Συγκεκριμένα, η Αγγειόσπερμη δενδρώδης βλάστηση εκπροσωπείται από τους γυρεόκοκκους των Quercus, Acer, Cyrillaceae, Carea, Ulmaceae, Ulmus, Juglans, Tilia, Alnus, Myrica, Castanea, Corylus, Carpinus, Ostrya, Salix, Betula, Betulaceae, Palmae, Pterocarya sp. και Fraxinus, όπως επίσης και από τα σπέρματα και τους καρπούς των Meliosma pliocenica, M. wetteraviensis, και M. sp.,. Αντίστοιχα, η Γυμνόσπερμη δενδρώδης βλάστηση συνίσταται κυρίως από Taxodiaceae, Taxodium, Picea, Pinaceae, Pinus, Abies, Cedrus, Tsuga, Cupressaceae και Juniperus, όπως επίσης και από σπέρματα και καρπούς των Glyptostrobus europaeus και G. sp.,. Η ποώδης βλάστηση αντιπροσωπεύεται από τους γυρεόκοκκους Chenopodiaceae, Gramineae, Ericaceae, Compositae, Ephedra και Umbelliferae και από τα σπέρματα και τους καρπούς Batrachium sp., Sparganium sp., Decodon gibbosus, D. sp., Epipremnites ornatus, Actinidia sp., Rubus sp., Sambucus pulchella, S. sp.1, S. sp.2, aff. Symplocos lusaticum και Vitis sp. Οι σπόροι των Πτεριδόφυτων εκπροσωπούνται από τα Polypodiaceae και Osmundaceae, ενώ απαντήθηκαν τα υδρόφιλα φυτά Nymphaceae, Nymphaea neogenicus neogenicus, Myriophyllum, Nuphar, Cyperaceae και Comaceae, όπως επίσης και Potamogeton sp., Potamogeton cf. piestanensis, Taddalia sp. και Nyssa sp. Γενικά, η βλάστηση ομοιάζει με αυτήν από την οποία προήλθε το λιγνιτικό κοίτασμα της Βεύης (Φλώρινα) και του Αλιβερίου (Εύβοια). Οι φυτοκοινωνίες, που αναπτύχθηκαν, στην περιοχή που μελετήθηκε, υποδηλώνουν, κατά κύριο λόγο, υγρές και θερμές κλιματικές συνθήκες με περιστασιακή εμφάνιση πιο ξηρών περιόδων, ενώ η ύπαρξη του γένους Nymphaea neogenicus neogenicus υποδηλώνει ότι το λιγνιτικό κοίτασμα της Αχλάδας σχηματίστηκε κατά τη διάρκεια του Κατώτερου Πλειόκαινου. Η ορυκτολογική σύσταση των λιγνιτικών και των ενδιάμεσων ανόργανων οριζόντων της συγκεκριμένης λιγνιτοφόρου ακολουθίας προσδιορίστηκε με περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ (XRD), φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας (FT-IR) και διαφορική θερμική (DTA) και θερμοβαρυτομετρική (TG/DTG) ανάλυση. Το ανόργανο μέρος του λιγνίτη αποτελείται κύρια από αργιλοπυριτικά ορυκτά, τα οποία εισέρχονταν στον παλαιοτυρφώνα με τα επιφανειακά νερά. Τα ανθρακικά ορυκτά συμμετέχουν με πολύ μικρό ποσοστό, ενώ αξιοσημείωτη είναι η παρουσία του σιδηρίτη. Από τα αυθιγενή ορυκτά, η γύψος εμφανίζεται στους περισσότερους ορίζοντες, ενώ ο σιδηροπυρίτης απαντά με μικρότερη συχνότητα. Στα ενδιάμεσα ανόργανα ιζήματα, από τα αργιλικά ορυκτά επικρατεί ο ιλλίτης-μοσχοβίτης, ενώ σε μικρότερα ποσοστά απαντούν ο καολινίτης και ο χλωρίτης. Σε κανένα από τα δείγματα δεν ταυτοποιήθηκε σμεκτίτης. Από τα μη αργιλικά ορυκτά επικρατούν ο χαλαζίας και οι άστριοι, ενώ σημαντική είναι και η παρουσία του σιδηρίτη. Από την εκτίμηση της δυνατότητας αξιοποίησης των στείρων υλικών της παραπάνω λιγνιτοφόρίας, για την παρασκευή δομικών κεραμικών προϊόντων, προέκυψε ότι οι συγκεκριμένες πρώτες ύλες κρίνονται, κατ’ αρχήν, κατάλληλες για την παρασκευή έγχρωμων κεραμικών προϊόντων τύπου “γκρε”. Συγκεκριμένα, κατά την έψηση των εν λόγω δοκιμίων από τους ~900°C, αρχίζει η υαλοποίηση του υλικού και η δημιουργία κρυσταλλικών φάσεων, όπως Al,Si-σπινελίων και αιματίτη (a-Fe₂O₃). Στους ~1100°C αρχίζει να επικρατεί η υαλώδης μάζα, η οποία περιβάλλει τις νεοσχηματισθείσες φάσεις και υπολείμματα κρυστάλλων χαλαζία και αστρίων, ενώ στους ~1200°C, αρχίζει να δημιουργείται μουλίτης (3Al₂O₃*2SiO₂). Συνοψίζοντας, με βάση όλα τα παραπάνω προέκυψε ότι: Το χερσαίο οικοσύστημα, στο οποίο σχηματίστηκε το λιγνιτικό κοίτασμα της Αχλάδας, συνιστά ένα παλαιοπεριβάλλον, το οποίο χωρίζεται σε τρία επιμέρους ανεξάρτητα τμήματα: το κύριο κανάλι ενός μαιανδρικού ποτάμιου συστήματος (main channel), το πεδίο πλημμύρας αυτού (floodplain) και μία ημισελινοειδή λίμνη (oxbow-lake). Κατά τον σχηματισμό και την εξέλιξη του παλαιοτυρφώνα στο πεδίο πλημμύρας και την ημισελινοειδή λίμνη, επικρατούσαν τελματικές/λιμνοτελματικές συνθήκες και παράλληλα λάμβαναν χώρα περιοδικά πλημμυρικά επεισόδια με απόθεση λεπτόκοκκων ιζημάτων. Επιπρόσθετα, τα ενδιάμεσα ανόργανα υλικά της συγκεκριμένης λιγνιτοφορίας κρίνονται, κατ’ αρχήν, κατάλληλα για την παρασκευή έγχρωμων κεραμικών προϊόντων τύπου “γκρε”, τόσο με βάση την προβολή τους σε κατάλληλα τριγωνικά διαγράμματα, όσο και από τα αποτελέσματα της ορυκτολογικής εξέτασης των ψημένων δοκιμίων.