Η χρήση των σπάνιων γαιών για την ιχνηθέτηση της κίνησης υπόγειων νερών σε υδρολογικές λεκάνες της Ανατολικής Κρήτης

• Κύριος συγγραφέας: Πυτικάκης, Εμμανουήλ
• Άλλοι συγγραφείς: Pitikakis, Emmanouil
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Σπάνιες γαίες; Υπόγειο νερό; Ιχνηθέτηση; Ανατολική Κρήτη; Rare earth elements; Groundwater; Tracing; Eastern Crete

Η παρούσα έρευνα είχε ως στόχο τη διερεύνηση των σπάνιων γαιών ως ιχνηθετών της κίνησης των υπόγειων νερών. Για αυτό τον σκοπό επιλέχθηκαν διαφορετικές, ως προς τα μορφολογικά και γεωλογικά τους χαρακτηριστικά, υδρολογικές λεκάνες, η λεκάνη του Ξεροπόταμου-Αλμυρού (επαρχία Μιραμπέλου), η λεκάνη του Παντέλη (κοιλάδα Σητείας), η λεκάνη της Λάστρου-Σφάκας-Μόχλου και τρεις λεκάνες της περιοχής της Μονής Τοπλού, οι οποίες αφού μελετήθηκαν ως προς τα υδρογεωλογικά τους χαρακτηριστικά, χρησιμοποιήθηκαν ως το υπόβαθρο της έρευνας. Η λεκάνη του Ξεροπόταμου-Αλμυρού έχει έκταση 124 Km2 και στο μεγαλύτερο μέρος της απαρτίζεται από τα ανθρακικά πετρώματα της ζώνης της Τρίπολης. Το υπόβαθρο της λεκάνης αποτελούν τα στεγανά πετρώματα των φυλλιτών χαλαζιτών. Στους ασβεστόλιθους και τους δολομιτικούς ασβεστόλιθους της ζώνης Τρίπολης έχει αναπτυχθεί ένα καρστικό υδροφόρο σύστημα που μεταφέρει το υπόγειο νερό από τη ζώνη τροφοδοσίας στο Δ-ΝΔ τμήμα της λεκάνης στις πηγές εκφόρτισης του Αλμυρού. Κατά μέσο όρο η λεκάνη του Ξεροπόταμου-Αλμυρού δέχεται ετησίως 117,4x106 m3 νερό από τις βροχοπτώσεις εκ των οποίων τα 41x106m3 εξατμίζονται, τα 52,8x106m3 κατεισδύουν στους γεωλογικούς σχηματισμούς και τα 26,6x106m3 τροφοδοτούν την επιφανειακή απορροή. Βάσει των ποιοτικών χαρακτηριστικών του υπόγειου νερού διακρίνονται τρεις περιοχές. Η πρώτη περιοχή χαρακτηρίζεται από νερό χημικού τύπου Ca-Mg-HCO3 και αντιστοιχεί στη ζώνη τροφοδοσίας του υδροφόρου. Η δεύτερη περιοχή χαρακτηρίζεται από νερό χημικού τύπου Ca-Mg-Na-HCO3-Cl και αντιστοιχεί στην περιοχή όπου πραγματοποιείται μείξη του γλυκού νερού με θαλασσινό νερό. Η τρίτη περιοχή χαρακτηρίζεται από νερό χημικού τύπου Na-Cl, όπου επικρατούν τα ιόντα του θαλασσινού νερού έναντι των ιόντων του γλυκού νερού. Η λεκάνη της Λάστρου-Σφάκας-Μόχλου έχει έκταση 19,6 Km2 και δομείται από πλακώδεις ασβεστόλιθους, φυλλίτες-χαλαζίτες νεογενείς και πλειστοκαινικούς σχηματισμούς. Η λεκάνη βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα της ρηξιγενούς ζώνης της Ιεράπετρας και αποτελεί μια τάφρο δύο αντιθετικών ρηγμάτων, του ρήγματος της Λάστρου και του ρήγματος της Σφάκας. Οι τεκτονικές κινήσεις είναι υπεύθυνες για την πλευρική επαφή τόσο των πλακωδών ασβεστόλιθων με τους φυλλίτες-χαλαζίτες όσο και με την επαφή των πλακωδών ασβεστόλιθων με τους νεογενείς σχηματισμούς. Η λεκάνη δέχεται ετησίως κατά μέσο όρο 20,2x106m3 νερό από τις βροχοπτώσεις. Από αυτό τα 7,9x106m3 εξατμίζονται, τα 3,4x106m3 τροφοδοτούν τους υδροφόρους της περιοχής και τα 8,9x106m3 απορρέουν επιφανειακά και απομακρύνονται από τη λεκάνη. Η κίνηση του υπόγειου νερού γίνεται σε διεύθυνση Ν-Β με περιοχές τροφοδοσίας τον νότιο ορεινό όγκο του Ορεινού και περιοχή εκφόρτισης τους πλειστοκαινικούς σχηματισμούς στην περιοχή του Μόχλου και Αγίου Ανδρέα. Η επαφή των πλακωδών ασβεστόλιθων με τους φυλλίτες χαλαζίτες που στα ανώτερα τμήματα τους παρουσιάζονται ανυδρίτες και γύψοι έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση του νερού στον υδροφόρο των πλακωδών ασβεστόλιθων. Το νερό στην περιοχή τροφοδοσίας έχει χημικό χαρακτήρα Ca-HCO3 και Ca-HCO3-SO4 που σταδιακά μέχρι την περιοχή εκφόρτισης μετατρέπεται σε Να-Ca-Cl-HCO3-SO4. Η λεκάνη του Παντέλη καταλαμβάνει συνολικά μια έκταση 125,8Km2 και αναπτύσσεται πάνω στη τάφρο της Σητείας. Το μεγαλύτερο μέρος της λεκάνης καταλαμβάνουν οι σχηματισμοί του Νεογενούς στο νότιο και κεντρικό τμήμα της, ενώ το βόρειο τμήμα της, στις εκβολές του ποταμού Παντελή, απαντώνται πλειστοκαινικοί σχηματισμοί. Ο κύριος υδροφόρος της λεκάνης αναπτύσσεται στα ανθρακικά κροκαλοπαγή του Νεογενούς. Η κίνηση του υπόγειου νερού γίνεται από τον Νότο προς το Βορρά. Συμφώνα με τον υδροχημικό τύπο του νερού διακρίνονται τρεις περιοχές. Η πρώτη περιοχή βρίσκεται στο ΝΔ τμήμα της λεκάνης και χαρακτηρίζεται από νερό με χημικούς τύπους Ca-HCO3 και Ca-Mg-HCO3, η δεύτερη περιοχή καταλαμβάνει το ανατολικό της τμήμα και χαρακτηρίζεται από χημικό τύπο Ca-Mg-Na-HCO3-Cl και η τρίτη καταλαμβάνει το βόρειο τμήμα της λεκάνης με χημικό τύπο Να-Ca-Mg-Cl-HCO3. Η περιοχή της Μονής Τοπλού βρίσκεται στο Ακρωτήριο Σίδερο και καταλαμβάνει μια έκταση 31,6Km2. Η περιοχή κάθε χρόνο κατά μέσο όρο, δέχεται 12,33x106m3 νερό από βροχοπτώσεις, από το οποίο τα 6,6x106m3 εξατμίζονται, τα 3,25x106m3 κατεισδύουν στους υδροφόρους της περιοχής και τα 2,46x106m3 απορρέουν επιφανειακά. Διακρίνονται τρεις κύριες υδρολογικές λεκάνες που δομούνται από νεογενείς και πλειστοκαινικούς σχηματισμούς που έχουν αποτεθεί πάνω σε αδιαπέρατους φυλλίτες χαλαζίτες. Το κύριο τεκτονικό χαρακτηριστικό της περιοχής είναι η ύπαρξη δύο κάθετων κύριων ρηγμάτων διεύθυνσης Α-Ν και Β-Ν. Το πρώτο ρήγμα βρίσκεται νότια της περιοχής και φέρνει σε επαφή τους νεογενείς σχηματισμούς με τους ανθρακικούς σχηματισμούς της ζώνης της Τρίπολης. Το δεύτερο ρήγμα τέμνει κατά μήκος τη περιοχή της Μονής Τοπλού και καταλήγει βόρεια αυτής. Η περιοχή τροφοδοσίας του υδροφόρου που αναπτύσσεται εντός των κοκκώδων σχηματισμών του Νεογενούς βρίσκεται στο νότιο τμήμα της περιοχής, ενώ η εκφόρτιση του πραγματοποιείται δυτικά στην περιοχή του Ανάλουκα και βόρεια στην περιοχή της Ερημούπολης και του Βάι. Η ύπαρξη των υποκείμενων αδιαπέρατων πετρωμάτων των φυλλιτών χαλαζιτών περιορίζει την εκτενή διείσδυση του θαλασσινού νερού στους υδροφόρους της χερσονήσου Σίδερο. Η διείσδυση του θαλασσινού νερού παρατηρείται κυρίως στην περιοχή του Ανάλουκα στα δυτικά της περιοχής και στην περιοχή του Βάι και της Ερημούπολης στο ΒΑ άκρο του ακρωτηρίου. Παρατηρούνται αυξημένες συγκεντρώσεις Na και Cl, αλλά και Κ. Ο χημικός τύπος αυτών των νερών είναι Na-Ca-Mg-HCO3-Cl ή Na-Mg-Ca-Cl-HCO3 και σταδιακά περνούν σε Na-Ca-Cl-HCO3. Προσδιορίστηκαν οι σπάνιες γαίες των δειγμάτων των πετρωμάτων που φιλοξενούν τους υδροφόρους των λεκανών έρευνας, αφού πρώτα τα δείγματα αυτά είχαν κονιοποιηθεί και χωνευτεί. Οι μετρήσεις έγιναν με τη μέθοδο αναλύσεων σε ICP-MS. Για τον προσδιορισμό των σπάνιων γαιών στα δείγματα νερού επιλέχθηκε η μεθοδολογία συμπύκνωσης των δειγμάτων που έχει προταθεί από τους Suzuki et al. (1991). Έγινε η κανονικοποίηση των δειγμάτων νερού με βάση τα διεθνή πρότυπα των σχιστών αργίλων της Ευρώπης και της Ιαπωνίας, καθώς και με τις αντίστοιχες σπάνιες γαίες των πετρωμάτων των υδροφόρων. Από τη μελέτη και τη σύγκριση των κανονικοποιημένων διαγραμμάτων των σπάνιων γαιών, από τον υπολογισμό των απόλυτων συγκεντρώσεων των σπάνιων γαιών (ΣREE) καθώς και από τη μελέτη των ανωμαλιών του Δημητρίου (Ce) και του Ευρωπίου (Eu) προέκυψαν τα παρακάτω συμπεράσματα: - Οι σπάνιες γαίες (ΣREE) διαφοροποιούνται από υδροφόρο σε υδροφόρο. Ο λόγος αυτής της διαφοροποίησης είναι ότι οι σπάνιες γαίες των υπόγειων νερών κληρονομούν τα χαρακτηριστικά των πετρωμάτων μέσω των οποίων κινήθηκαν. - Οι σπάνιες γαίες καταγράφουν πληροφορίες για τη κίνηση του υπόγειου νερού. - Η υψηλή ταχύτητα του υπόγειου νερού στο καρστικό σύστημα του Αλμυρού Ξεροποτάμου, η διάλυση της γύψου στη λεκάνης της Λάστρου-Σφάκας-Μόχλου, η διάλυση των αργιλικών ορυκτών και η δημιουργία των κολλοειδών και των υδρό-οξειδίων του Fe στις λεκάνες του Παντέλη και της Μονής Τοπλού είναι οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν τα κανονικοποιημένα διαγράμματα των σπάνιων γαιών. - Οι διαφοροποιήσεις των κανονικοποιημένων διαγραμμάτων των σπάνιων γαιών δεν διακρίνονται μόνο μεταξύ των διαφορετικών τύπων υδροφόρων αλλά και εντός των υδροφόρων. Η μεταβολή του συνόλου των συγκεντρώσεων των σπάνιων γαιών του υπόγειου νερού καθορίζεται από τη μεταβολή του υδροχημικού χαρακτήρα του από Ca-Mg-HCO3 σε Na-Ca-Mg-Cl-HCO3 και τέλος σε Na-Cl. Η μεταβολή των συγκεντρώσεων των σπάνιων γαιών εκφράζεται από τη μείωση του συνόλου τους από τη ζώνη του γλυκού νερού στη ζώνη του υφάλμυρου και τέλος στη ζώνη του αλμυρού νερού. - Οι σπάνιες γαίες αποτελούν χρήσιμα εργαλεία για τη ιχνηθέτηση των χημικών διεργασιών όπως των αντιδράσεων της οξειδοαναγωγής, προσρόφησης και συμπλοκοποίησης. Καταγράφουν τις υδρογεωλογικές και υδροχημικές συνθήκες που επικρατούν σε κάθε θέση του υδροφόρου καθώς και τις διαφοροποιήσεις τους σε σχέση με το χρόνο.