Μελέτη των οφιολιθικών πετρωμάτων των Γερανείων Ορέων και της Γευγελής: η επίδραση των μικροπετρογραφικών, γεωχημικών και φυσικομηχανικών χαρακτηριστικών στην ποιότητά τους ως αδρανών υλικών

Abstract

This thesis studies the micropetrographic and physicomechanical characteristics of ophiolitic rocks derived from the Gerania, the Guevgueli ophiolite complex and from the area of Ag.Theodori as well as the way in which they influence their suitability as aggregate rocks in various applications. For this reason, geological field study has been done as well mapping of the studied areas, in order to collect rocks characterized by as variety in their petrographic and tectonic characteristics can be found. After the geological field and the petrographic study of the collected samples, modified digital maps were produced that gave more details related to the lithotypes of the studied areas. More specifically, the Gerania ophiolite complex which belongs to the Pelagonian zone mainly consists of ultramafic rocks characterized by high degree of tectonic stress due to the presence and the action of active faults existed in the wider region of the complex. The mainly lithotypes collected for this study are dunite, harzburgite and mainly lherzolite. The ultramafic rocks display variety in their alteration degree (degree of serpentinization). The Guevgueli ophiolite complex mainly consists of mafic rocks, whereas diabase and hornblende gabbro have been collected. Finally, from the area of Ag.Theodori, porphyritic dacite has been collected.The values of geometrical, physical, mechanical and physicochemical properties which have been measured for the collected rock samples have shown higher range in ultramafic rocks than in mafic rocks. This intense range is due to the presence of greater variety in their alteration degree and tectonic stress compared to mafic samples. Moreover, the propagation of microcracks during the uniaxial compressive strength test in both representative mafic and ultramafic rock samples derived from Gerania and Guevgueli ophiolite complexes has been studied, whereas it seems that the intragranular microcracks are those prevailing in all the samples studied, with the transgranular to follow, while the number of microcracks associated with the margins of the crystals to be insignificant. Furthermore, usually, during the uniaxial compressive stress test, the existed intragranular microcracks as well as several of those associated with the margins of the crystals, are united and evolved into transgranular. In ultramafic rocks, the mesh texture of serpentine leads to isotropic orientation of microcracks. In addition, the identification of the type and the content of clay minerals contained in the studied samples took place using clay fraction analysis. The investigation of correlations between the determined engineering properties has been done using regression analysis. High positive correlations have been observed between the physical properties of the investigated rocks, high negative correlations between LA and SHV, UCS as well as god negative correlations between LA and Is(50). Important factor for the mechanical strength both of mafic and ultramafic rocks is their microtopography, which depends on their mineralogical composition as well as the distribution of their minerals. In addition, high positive correlation has been observed between w, nt and S, good negative correlations between UCS and w, nt, high negative correlations between SHV and nt, positive relationship between S and nt as well as between nt and MBF.Emphasis was placed on the correlations between the mineralogical and petrographic parameters of the studied ophiolitic rocks and the main engineering properties which were carried out, where it was observed that the alteration degree and more specifically the percentage of secondary phyllosilicate minerals contained in the studied mafic and ultramafic rocks, their structure, the indirect alteration index (LOI) play an important role in the formation of the main physical, mechanical and physicochemical properties of rocks, especially where they are present in significant percentages. LOI presents positive correlation with properties w, nt of mafic and ultramafic rocks as well as with S. In ultramafic rocks, the degree of serpentinization was strongly correlated with LOI. Weak positive correlation has been observed between LOI and LA, weak negative between LOI and UCS as the UCS doesn’t depend only on the alteration degree of rocks but also on their textural and tectonic characteristics. Moreover, in ultramafic rocks, the Uph index (sum of secondary phyllosilicate minerals) is positively correlated with w, nt and S. Similar correlations have also been observed between the referred properties and the serpentine content. Chlorite, the dominant secondary phyllosilicate minerals in mafic rocks seems to influence negatively on the physical properties of mafic rocks even in low content (up to 10%). On the other hand, the low content of chlorite appears to be unable to negatively affect itself the mechanical strength of the mafic rocks. Finally, the suitability of the studied rocks for the various construction applications was identified in accordance with the limit values of relevance given in Greek and International standards for aggregates.

Η παρούσα διατριβή ερευνά τα μικροπετρογραφικά και φυσικομηχανικά χαρακτηριστικά οφιολιθικών πετρωμάτων από τα συμπλέγματα των Γερανείων Ορέων και της Γευγελής καθώς επίσης και ηφαιστειακών πετρωμάτων από την περιοχή των Αγ. Θεοδώρων και τον τρόπο που αυτά επηρεάζουν την καταλληλότητα αυτών για χρήση τους ως αδρανή υλικά διαφόρων εφαρμογών. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε υπαίθρια γεωλογική μελέτη και χαρτογράφηση των παραπάνω περιοχών, αναζητώντας τη συλλογή πετρωμάτων με ποικιλία στα πετρογραφικά και όσο γίνεται στα τεκτονικά χαρακτηριστικά τους. Ύστερα από την υπαίθρια γεωλογική μελέτη και την πετρογραφική μελέτη των συλλεχθέντων δειγμάτων κατασκευάστηκαν τροποποιημένοι ψηφιακοί χάρτες οι οποίοι έδωσαν παραπάνω στοιχεία σχετικά με τους λιθότυπους των υπό μελέτη περιοχών. Πιο συγκεκριμένα, το οφιολιθικό σύμπλεγμα των Γερανείων Ορέων το οποίο ανήκει στην Πελαγονική ζώνη αποτελείται από υπερβασικά πετρώματα, τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλού βαθμού τεκτονική καταπόνηση εξαιτίας της δράσης των ενεργών ρηγμάτων της ευρύτερης περιοχής. Οι κύριοι λιθότυποι που απαντώνται και συλλέχθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής είναι δουνίτες, χαρτσβουργίτες και κυρίως λερζόλιθοι. Αναφορικά με τον βαθμό εξαλλοίωσης-σερπεντινίωσης των υπερβασικών πετρωμάτων, αυτός ποικίλει. Tο οφιολιθικό σύμπλεγμα της Γευγελής αποτελείται κυρίως από βασικής σύστασης πετρώματα από όπου συλλέχθηκαν διαβάσες και κεροστιλβικοί γάββροι. Τέλος από την περιοχή των Αγ. Θεοδώρων συλλέχθηκαν πορφυριτικοί δακίτες. Οι διακυμάνσεις των τιμών των γεωμετρικών, φυσικών, μηχανικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων που πραγματοποιήθηκαν είναι μεγαλύτερες στα υπερβασικά δείγματα σε σχέση με τα βασικά. Η έντονη αυτή διακύμανση στα υπερβασικά πετρώματα οφείλεται στην ύπαρξη μεγαλύτερης ποικιλομορφίας τόσο του βαθμού εξαλλοίωσης αυτών όσο και της τεκτονικής που αυτά έχουν υποστεί σε σχέση με τα βασικά πετρώματα. Διερευνήθηκε ακόμη, ο τρόπος διάδοσης των μικρορωγμών κατά τη μονοαξονική φόρτιση διαφόρων τύπων μικρορωγμών αντιπροσωπευτικών δειγμάτων από τους υπό μελέτη λιθότυπους. Κατά τη μελέτη αυτή φαίνεται ότι οι ενδοκρυσταλλικές μικρορωγμές είναι αυτές που επικρατούν στο σύνολο των υπό μελέτη δειγμάτων, με τις διακρυσταλλικές να ακολουθούν, ενώ ο αριθμός των μικρορωγμών που σχετίζονται με τα περιθώρια των κρυστάλλων είναι ασήμαντος. Επίσης συχνά, κατά την μονοαξονική φόρτιση, οι υπάρχουσες ενδοκρυσταλλικές μικρορωγμές αλλά και αρκετές από αυτές που σχετίζονται με τα όρια των κρυστάλλων ενώνονται και εξελίσσονται σε διακρυσταλλικές. Ο κυψελώδης ιστός του σερπεντίνη στα υπερβασικά δείγματα οδηγεί σε ισότροπο προσανατολισμό των μικρορωγμών. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκε η αναζήτηση του είδους και του ποσοστού των αργιλικών ορυκτών που εμπεριέχονται στα υπό μελέτη δείγματα με τη μέθοδο της ανάλυσης του αργιλικού κλάσματος. Η διερεύνηση των συσχετίσεων μεταξύ των προσδιορισθέντων γεωμετρικών, φυσικών, μηχανικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων πραγματοποιήθηκε μέσω ανάλυσης παλινδρόμησης. Παρατηρήθηκε υψηλός βαθμός θετικής συσχέτισης μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων των υπό μελέτη πετρωμάτων, υψηλός βαθμός αρνητικής συσχέτισης μεταξύ LA με SHV, UCS καθώς και καλή αρνητική συσχέτιση μεταξύ LA και Is(50). Σημαντικός παράγοντας για τη μηχανική αντοχή των υπερβασικών και βασικών πετρωμάτων παίζει το μικροανάγλυφο αυτών, το οποίο εξαρτάται τόσο από την ορυκτολογική σύσταση αλλά και από την κατανομή των ορυκτολογικών φάσεων. Επιπλέον, παρατηρήθηκε υψηλού βαθμού θετική συσχέτιση μεταξύ w, nt και S, καλές αρνητικές συσχετίσεις μεταξύ UCS με w και nt, υψηλή αρνητική συσχέτιση μεταξύ SHV και nt, θετική συσχέτιση μεταξύ S και nt καθώς επίσης και μεταξύ nt και MBF. Έμφαση δόθηκε στις συσχετίσεις μεταξύ των ορυκτοπετρογραφικών παραμέτρων των υπό μελέτη οφιολιθικών πετρωμάτων και των κυριότερων εργαστηριακών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν, όπου διαπιστώθηκε ότι ο βαθμός εξαλλοίωσης και πιο συγκεκριμένα το ποσοστό των δευτερογενών φυλλοπυριτικών ορυκτών που περιέχονται στα υπό μελέτη βασικής και υπερβασικής σύστασης πετρώματα, η δομή αυτών, ο έμμεσος δείκτης εξαλλοίωσης (LOI) παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των κυριότερων φυσικών, μηχανικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων των πετρωμάτων ειδικά όταν περιέχονται σε σημαντικά ποσοστά. Το LOI παρουσίασε θετική συσχέτιση με τις φυσικές ιδιότητες w, nt των βασικών και υπερβασικών πετρωμάτων καθώς και με την δοκιμή αποσάθρωσης (S). Στα υπερβασικά πετρώματα ο βαθμός σερπεντινίωσης συσχετίστηκε ισχυρά με το LOI που αποτελεί έναν έμμεσο δείκτη αποσάθρωσης των πετρωμάτων. Ασθενής θετική συσχέτιση παρατηρήθηκε μεταξύ του LOI και του LA, ενώ ασθενής αρνητική συσχέτιση παρατηρήθηκε μεταξύ του LOI και της UCS καθώς η αντοχή σε μονοαξονική θλίψη δεν εξαρτάται μόνο από τον βαθμό αποσάθρωσης των πετρωμάτων αλλά και από ιστολογικά και τεκτονικά χαρακτηριστικά αυτών. Επιπλέον, στα υπερβασικά πετρώματα, ο δείκτης Uph (άθροισμα των δευτερογενών φυλλοπυριτικών ορυκτών) συσχετίζεται θετικά με w, nt και S. Παρόμοιες συσχετίσεις παρατηρήθηκαν μεταξύ αυτών των ιδιοτήτων και του ποσοστού του περιεχόμενου σερπεντίνη. Ο χλωρίτης, ο οποίος αποτελεί το κυρίαρχο δευτερογενές φυλλοπυριτικό ορυκτό των βασικής σύστασης πετρωμάτων φαίνεται να επιδρά αρνητικά στις φυσικές ιδιότητες (w, nt) αυτών παρότι βρίσκεται σε χαμηλά ποσοστά (έως 10%). Από την άλλη πλευρά, το χαμηλό ποσοστό του χλωρίτη φαίνεται ότι δεν δύναται αυτό καθ’ αυτό να επηρεάσει αρνητικά τη μηχανική αντοχή των βασικών πετρωμάτων. Τέλος κρίθηκε η καταλληλότητα των υπό μελέτη πετρωμάτων για τις διάφορες κατασκευαστικές εφαρμογές σύμφωνα με τις οριακές τιμές καταλληλότητας που αναφέρονται στα Ελληνικά και Διεθνή πρότυπα για τις διάφορες κατηγορίες αδρανών υλικών.