Συσχέτιση ορυκτοπετρογραφικών και φυσικομηχανικών ιδιοτήτων ανθρακικών πετρωμάτων από περιοχές της Δυτικής Ελλάδος και στην εκτίμηση της καταλληλότητας ως αδρανών υλικών

Abstract

In the present thesis investigated carbonated rocks from areas of West Greece (Aetolia-Acarnania Regional Unit) about their physico-mechanical – geometrical properties and the influence of the petrographic factors from the three geotectonic zones (Ionian, Gavrovos-Tripolis and Olonos-Pindos) but and the evaluation for their suitability as aggregate materials for several uses. After in situ geological observation and capture of carbonated formations for the condition of the carbonated rocks, collection of observations and petrographical examination of the collected samples, created united digital geological map at scale 1:125.000 with measurement of surface area of these formations and maps at scale 1:250.000 about the referring at any test. From the Ionian zone the main lithotypes which recognized and classified (Dunham classification) are wackestone, wackestone / mustone, packstone, grainstone and grainstone – lithoclast.These lithotypes contain enough peloids, endoclasts and increased number of lithoclasts. The wackestone lithoclasts of Vigla limestones have poor concentrations of fossils indicating nevertheless dense structure and absence of spary calcite veins. The carbonated formations of Gavrovos-Tripolis zone characterized from wackestone and packstone lithotypes with a lot big sized fossils, fragments of macrofossils nad increased participation of endoclasts. They present decreased participation of clays but increased recrystallization and fenestral fabrics. Olonos-Pindos zone characterized from grainstone, mudstone, packstone and wackestone lithotypes. They have developed porosity, stylolite style, or channels, as high fluctuation of no carbonated blendings concerning illite, chlorite, muscovite, biotite, thin flated clay materials of smectite group. Furthermore the Upper Cretaceous pelagic lithotypes of Olonos-Pindos zone contain small sized fossils, endoclasts in low percentage and increased micritic material. More specifically at the Olonos-Pindos zone there are wackestone lithotypes with dense structure and scattered bioclasts, or enough preserved fossils, with absence of sparitic veins, but with presence of little veins and increased porosity stylolite style and channels type with filling of clay materials and wackestone lithotypes with dense structure and small sized fossils with increased percentage between 30-40%, as well increased participation of endoclasts, and sparitic veins with thickness between 0,025 – 0,29mm. Unlike the Upper Cretaceous lithotypes of Gavrovos-Tripolis zone, which present uneven at the sizes of their fossils, they have an increased number of endoclasts, lithoclasts as well as in peloids. Regression analysis and factor analysis were applied to the test results in order to clarify the interrelationships between geometrical, physical, mechanical and physicochemical properties. From the R- type factor analysis occurred groupings between identified properties confirming that way the results of regression analysis, or proving the existence of strong trends. In many cases when the regression (R) is strong enough, then it’s possible the determination of parameters based to the given equations. Significant correlations were found among soundness (S) and Los Angeles (LA) for all the 3 geotechnical zones, Ionian zone, Gavrovros-Tripolis zone and Olonos- Pindos zone. At the relations of soundness (S) and aggregate abrasion value (AAV) of the represented samples from the 3 geotectonic zones, Ionian zone, Gavrovros-Tripolis zone and Olonos- Pindos zone, was held that as the soundness (S) of the studied rocks increased, such the values of aggregate abrasion value (AAV) increased. In the relation between insoluble residue (IR) and polished stone value (PSV) were found satisfactory correlations. The increase of the values of insoluble residue (IR) accompanied respectively by increase of polished stone value (PSV). Increase of polished stone value (improvement of PSV) with the increase of insoluble residue (IR) percentage (metal minerals, presence of quartz content), as the increase of soft materials percentage result the increase of grinding resistance. Rocks soundness (S) decreased with the increase of water absorption (wa). In the other hand sand equivalent (SE) and methylene blue (MBF) don’t correlate absolutely between them, confirm with this way the different nature of these tow tests. Extremely important is the participation of allochems which identified from the study of carbonate rocks and the test results. About stone types, mechanical properties tend to improve with the decrease of: (i) porosity, (ii) participation of clay materials, (iii) strong presence of sparitic veins, (iv) sparitic material. sparitic material. Regarding physical properties, they have negative influence from the presence of inflated of smectite group as clay material of illite and chlorite group. Relations of physicochemical properties (S), (MBF) and the allochems ratios indicate that as the content of active clay minerals increase, such the weathering resistance decreased. From the comparison of the determining properties values of the studied rock types with marginal values of suitability which referred at Greek and International standards for several aggregate categories, concluded that the most of the studied rock types are proper for use as bases, under-bases of road surfaces, asphalt mixtures, concretes and filters in relation to the increase of porosity and the increased participation of clay materials. Exception are the mudstones of Upper Cretaceous of Olonos-Pindos zone, which are not accepted for the most uses, as indicated mainly from the results of weathering factor and the physicochemical properties of methylene blue. About the rock types (Wackestone, Packstone) of Gavrovos-Tripoli zone, these contain low values at clay minerals for use as bituminous mixtures. The chemistry of each rock type is notable importance for the explanation of the specific rock characteristics. The procedures of chemical weathering cause changes at the mineralogical, structural and geochemical characteristics with result also changes at the physicomechanical properties. The results indicate that the quality of the rocks can be estimated with the use of chemical factors. This has result the chemical factors can express the adjustments at the rocks during the weathering. Investigated the correlation of specific chemical weathering factors (Im, ba2, LOI), for the wackestone lithotypes Im presented strong regression with the geometrical and mechanical properties, occurring the decrease of aggregates quality with the increase of weathering, in contrast the mudstone lithotypes which present dispersant of values. The regressions of Im with the physico-chemical – geometrical properties (MBf, SE, W, GS), presents decrease of aggregates quality with the increase of weathering. Regression between (LOI), (SE) and (UCS) agree with the results of factor analysis and seems that decrease of (LOI) presents increase of (UCS). Aboit the resistance of concrete the presence of expanded clay materials of smectite group has negative impact at the aggregates quality (as main ingredient of bentonite is montmorillonite). The addition of bentonite makes concrete more unworked, but in bigger quantity occurs decrease of mechanical resistance, as well the resistance at frost. The relations between oxides and (MΒf) presents satisfying trends between lithotypes, cause indicate decrease of clay materials. The mudstone lithotypes of Upper Cretaceous of Olonos-Pindos zone differentiate chemically from the wackestone, packstone, grainstone lithotypes as to the higher percentage of participation of Al2O3, Fe2O3, SiO2 and the lower percentage of CaO. Additional considered no acceptable for the most uses, as indicated from the results of rock soundness (participation of oxides) as well the physico-chemical property of (MBf).

Στην παρούσα διατριβή έγινε διερεύνηση ανθρακικών πετρωμάτων από περιοχές της δυτικής Ελλάδος (Περιφερειακή Ενότητα Αιτωλοακαρνανίας) όσον αφορά τις φυσικομηχανικές – γεωμετρικές ιδιότητες και την επίδραση των πετρογραφικών χαρακτηριστικών από τις τρείς γεωτεκτονικές ζώνες (Ιόνιας, Γαβρόβου – Τρίπολης και Ωλονού – Πίνδου), καθώς επίσης και εκτίμηση για την καταλληλότητά τους ως αδρανή υλικά για διάφορες εφαρμογές. Μετά από την υπαίθρια γεωλογική παρατήρηση και αποτύπωση ανθρακικών σχηματισμών για την κατάσταση των ανθρακικών πετρωμάτων, την συλλογή παρατηρήσεων και την πετρογραφική εξέταση των συλλεχθέντων δειγμάτων, κατασκευάσθηκε ενωποιημένος γεωλογικός ψηφιακός χάρτης κλίμακας 1:125.000 με εμβαδομέτρηση αυτών των σχηματισμών, καθώς και χάρτες κλίμακας 1:250.000 σχετικά με τους λιθότυπους, όπου αναφέρεται κάθε δοκιμή. Από την Ιόνια ζώνη οι λιθότυποι που αναγνωρίσθηκαν και ταξινομήθηκαν (κατά Dunham), είναι οι wackestone / ιλυοστηριζόμενοι, οι wackestone / mudstone, οι Packstone / κοκκοστηριζόμενοι, οι grainstone / κοκκοστηριζόμενοι λιθότυποι και οι grainstone – lithoclast (κοκκοστηριζόμενοι με λιθοκλάστες και ενδοκλάστες). Πιό συγκεκριμένα περιέχονται άφθονα πελοειδή, ενδοκλάστες και αυξημένος αριθμός λιθοκλαστών, ενώ οι wackestone λιθότυποι των ασβεστολίθων Βίγλας εμφανίζουν φτωχές συγκεντρώσεις απολιθωμάτων υποδεικνύοντας όμως, πυκνή δομή και απουσία σπαριτικών φλεβών. Ως προς τους ανθρακικούς σχηματισμούς της ζώνης Γαβρόβου – Τρίπολης αυτοί χαρακτηρίζονται από wackestone και Packstone λιθότυποι με άφθονα ευμέθη απολιθώματα, θραύσματα μικροαπολιθωμάτων, καθώς και αυξημένη συμμετοχή από ενδοκλάστες. Παρουσιάζουν μειωμένη συμμετοχή από αργιλικά, αλλά αυξημένο βαθμό ανακρυστάλλωσης και παραθυροειδών δομών. Η ζώνη Ωλονού – Πίνδου χαρακτηρίζεται από grainstone, mudstone, Packstone και wackestone λιθότυπους στην πλειονότητά τους. Έχουν ανεπτυγμένα πορώδη, τύπου στυλόλιθου, ή καναλιού, καθώς και υψηλή διακύμανση μη ανθρακικών προσμείξεων που αφορά ιλλίτη, χλωρίτη, μοσχοβίτη, βιοτίτη και διογκούμενα αργιλικά υλικά της ομάδας σμηκτίτη. Επιπλέον οι Ανω Κρητιδικοί πελαγικοί λιθότυποι της ζώνης Ωλονού – Πίνδου περιέχουν απολιθώματα μικρά σε μέγεθος, ενδοκλάστες σε μικρό ποσοστό και με αυξημένη μικριτική ύλη. Πιο συγκεκριμένα, υποδεικνύονται wackestone λιθότυποι με πυκνή δομή και διασπαρμένους βιοκλάστες, ή καλά διατηρημένα απολιθώματα με απουσία σπαριτικών φλεβών, αλλά με παρουσία φλεβιδίων και αυξημένο πορώδες τύπου στυλολιθικού και τύπου καναλιού (channel) με πληρότητα από αργιλικά υλικά και wackestone λιθότυποι με πυκνή δομή και απολιθώματα σε μικρό μέγεθος με αυξημένο ποσοστό από 30 έως 40%, καθώς και αυξημένη συμμετοχή σε ενδοκλάστες. Οι σπαριτικές φλέβες έχουν πάχος 0,025 – 0,29mm. Αντίθετα οι λιθότυποι του Ανω Κρητιδικού της ζώνης Γαβρόβου – Τρίπολης, παρουσιάζουν ανομοιομορφία στα μεγέθη των απολιθωμάτων, έχουν αυξημένο αριθμό σε ενδοκλάστες, λιθοκλάστες, καθώς και σε πελοειδή.Οι συσχετίσεις μεταξύ των γεωμετρικών, φυσικών, μηχανικών και φυσικοχημικών ιδιοτήτων διερευνήθηκαν με ανάλυση παλινδρόμησης. Από την παραγοντική ανάλυση R ̶ τύπου προέκυψαν ομαδοποιήσεις μεταξύ των ιδιοτήτων, επιβεβαιώνοντας έτσι, τα αποτελέσματα της ανάλυσης, ή αποδεικνύοντας την ύπαρξη αξιόλογων τάσεων, ενώ σε αρκετές τάσεις ο συντελεστής προσδιορισμού (R) είναι αρκετά υψηλός. Σημαντικές συσχετίσεις προσδιορίστηκαν στις τιμές του δείκτη σε αποσάθρωση (S) και της δοκιμής κατά Los Angeles (LA) για τις τρείς γεωτεκτονικές ζώνες. Στις σχέσεις που αφορά τον δείκτη αποσάθρωσης (S) και τον δείκτη αντίστασης σε απότριψη (AAV) στα αντιπροσωπευτικά δείγματα των τριών γεωτεκτονικών ζωνών, Ιόνια, Γαβρόβου – Τρίπολη και Ωλονού – Πίνδου, παρατηρήθηκε, ότι, αυξανομένης της αποσάθρωσης, αυξάνονται και οι τιμές (AAV). Στο αδιάλυτο υπόλειμμα (IR) και αντίσταση σε στίλβωση (PSV) παρατηρήθηκαν ικανοποιητικές συσχετίσεις με αύξηση τιμών του (IR) αντίστοιχα με αύξηση του δείκτη τιμών του (PSV). H ανθεκτικότητα των πετρωμάτων σε αποσάθρωση, όπως εκφράζεται από το δείκτη ισοδύναμμου άμμου (S), μειώνεται αυξανομένων των τιμών υγρασία απορρόφηση (Wa). Το ισοδύναμο άμμου (SE) και το μπλε του μεθυλενίου (MBf) δεν συσχετίζονται απόλυτα μεταξύ τους, επιβεβαιώνοντας κατ’ αυτό τον τρόπο τη διαφορετική φύση των δύο δοκιμών.Όσον αφορά τους λιθότυπους, οι μηχανικές ιδιότητες τείνουν να βελτιώνονται όσο μειώνεται:(i) ο βαθμός πορώδους, (ii) η συμμετοχή των αργιλικών υλικών, (iii) η μεγάλη παρουσία των σπαριτικών φλεβών, (iv) η σπαριτική ύλη.Αναφορικά με τις φυσικές ιδιότητες, οι λιθότυποι επηρεάζονται αρνητικά από την συμμετοχή σε αργιλικά υλικά όπως είναι ο ιλλίτης, τα διογκούμενα της ομάδας σμηκτίτη και των αργιλικών υλικών της ομάδας χλωριτών και οξειδίων. Οι σχέσεις μεταξύ των φυσικοχημικών ιδιοτήτων (S) και (MBf) η περιεκτικότητα στα αλλοχημικά, υποδεικνύεται, ότι όσο αυξάνεται η συμμετοχή τους σε αργιλικά ορυκτά, τόσο μειώνεται η αντοχή των πετρωμάτων στην αποσάθρωση. Από τη σύγκριση των τιμών των προσδιορισθέντων ιδιοτήτων των υπό εξέταση λιθότυπων με τις οριακές τιμές καταλληλότητας, συμπεραίνεται, ότι οι περισσότεροι λιθότυποι είναι κατάλληλοι για χρήση ως βάσεις και υποβάσεις οδοστρωμάτων και φίλτρων με διαφοροποιήσεις (μείωση των τιμών) στα ασφαλτομίγματα - επιφανειακές στρώσεις σε σχέση με την αύξηση του πορώδους και την αυξημένη συμμετοχή σε αργιλικά υλικά. Όσον αφορά τους λιθότυπους της wackestone, Packstone κατά Dunham της ζώνης Γαβρόβου – Τρίπολης, περιέχουν τις χαμηλότερες τιμές σε αργιλικά ορυκτά για χρήση ασφαλτικών στρώσεων (ασφαλτοτάπητες).Ο χημισμός του λιθότυπου είναι σημαντικός για την ερμηνεία των χαρακτηριστικών του πετρώματος. Η χημική αποσάθρωση προκαλεί μεταβολές στα ορυκτολογικά, ιστολογικά και γεωχημικά τους χαρακτηριστικά με αποτέλεσμα και στις φυσικομηχανικές τους ιδιότητες και τα αποτελέσματα έδειξαν, ότι η ποιότητα των πετρωμάτων μπορεί να εκτιμηθεί με τη χρήση χημικών δεικτών, υποδεικνύοντας μεταβολές κατά την διαδικασία της αποσάθρωσης. Διερευνήθηκε ο βαθμός συσχέτισης συγκεκριμένων χημικών δεικτών αποσάθρωσης (Im, ba2, LOI) και για τους Wackestone λιθότυπους ο δείκτης Im παρουσίασε υψηλές συσχετίσεις με τις γεωμετρικές και μηχανικές ιδιότητες, υποδεικνύοντας, έτσι τη μείωση της ποιότητας των αδρανών υλικών αυξανομένου του βαθμού αποσάθρωσης, αντίθετα όμως με τους Mudstone λιθότυπους, οι οποίοι παρουσιάζουν διασπορά τιμών. Οι συσχετίσεις του χημικού δείκτη ba2 με τις φυσικοχημικές – γεωμετρικές ιδιότητες (MBf, SE, W, GS), παρουσιάζουν μείωση της ποιότητας των αδρανών υλικών αυξανομένου του βαθμού αποσάθρωσης. Η συσχέτιση του (LOI), ως δείκτης του βαθμού χημικής αποσάθρωσης, μεταξύ του (SE) και (UCS) συμφωνεί με τα αποτελέσματα της παραγοντικής ανάλυσης και φάνηκε, ότι μειωμένου του ποσοστού (LOI), παρατηρείται, αύξηση της μηχανικής αντοχής σε μοναξονική θλίψη (UCS). Ως προς την αντοχή στο σκυρόδεμα η παρουσία διογκούμενων αργιλικών υλικών της ομάδας σμηκτίτη έχει αρνητική επίδραση στην ποιότητα των αδρανών υλικών (ως κύριο συστατικό του μπεντονίτη είναι ο μοντμοριλονίτης). Η προσθήκη μπεντονίτη κάνει το σκυρόδεμα πιο ευκατέργαστο, αλλά σε μεγαλύτερη ποσότητα προκαλεί μείωση της μηχανικής του αντοχής, καθώς και της αντοχής του στον παγετό. Οι σχέσεις μεταξύ των οξειδίων και της φυσικοχημικής ιδιότητας (MΒf) παρουσιάζουν ικανοποιητικές τάσεις μεταξύ των λιθότυπων, αφού υποδηλώνουν αύξηση των αργιλικών υλικών. Οι Mudstone λιθότυποι του Ανω κρητιδικού της ζώνης Ωλονού – Πίνδου διαφοροποιούνται χημικά (υψηλότερα ποσοστά σε Al2O3, Fe2O3, SiO2 και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε CaO) από τους wackestone, packstone, grainstone λιθότυπους. Επιπλέον, θεωρούνται, μη αποδεκτοί για τις περισσότερες εφαρμογές, όπως υποδεικνύεται από τα αποτελέσματα του δείκτη αποσάθρωσης (συμμετοχή οξειδίων), καθώς και της φυσικοχημικής ιδιότητας μπλε του μεθυλενίου (MBf).