Μελέτη γεωχημικών διεργασιών σε περιβάλλοντα απόθεσης στερεών αποβλήτων μεταλλευτικής δραστηριότητας και διεργασιών σχηματισμού προσχωματικών κοιτασμάτων σε παράκτια περιβάλλοντα συνδεόμενα με το Οφιολιθικό σύμπλεγμα του Τροόδους της Κύπρου

Abstract

The main scope of this dissertation is two issues that are linked with the sulfide deposits and the Troodos Ophiolite complex, without them being investigated enough in Cyprus. The first issue deals with the behavior of the metals in an oxidation and dissolution environment after the mining of sulfide minerals. It is refer in Agrokipia village in the mainland and can also at Limni in Polis Chrysochous coastal area in Paphos district. In this regions there has been surface opencast and underground mining of copper sulfides. The dissertation focuses also on a second issue of the Ophiolite presence that, of the erosion, weathering and transfer of materials at the sea side after the disintegration of diabase rocks. In particular the result of the coastal processes that are formed after the disintegration of the Ophiolite rocks in the mainland of Paphos and the transfer of products that are in high energy coastal environment to the Polis Chrysochous bay. At the same time the conditions are studied and a model is presented for the possible formation of the presence of heavy minerals (placer) deposits on the shore, in the nearshore and marine environment, and in particular local concentrations of titanium magnetic sands.The intense mining activity that was developed in Cyprus in the twentieth century and the production of large quantities of copper from sulfide deposits of iron, compounds, has been known since antiquity. Several deposits of copper pyrite associated with pillow lavas in the Troodos ophiolite complex were discovered and exploited at intervals in the twentieth century. However the greatest activity was observed in the middle of the century.The abandoned mining areas have left a legacy of environmental damage with potential impacts on public health. The present dissertation aims to assess the level of pollution of the areas surrounding the opencast mine excavation in Agrokipia through the mobilization and transport of potentially toxic elements by correlating the results with the mineralogy of the area, discussing possible ecological and health risks and a proposals on rehabilitation. For this purpose the levels of important elements were assessed in the acidic water of the excavation, the sterile dumps materials and in the water and sediments of various streams coming from the mining area and passing through the village of Agrokipia and from the agricultural lands in a nearby olive grove.The release and dispersion of metals as a result of mining activity is the scope of the work, in the area of Agrokipia, copper iron pyrite. The result of the depositing the piles of sterile materials under atmospheric conditions was the oxidation and dissolution of the mineral sulfides contained in small concentrations in the dumps. Elements that coexisted in the original mineral structure were separated and released and then bound to new chemical phases controlled by basic sulfates and Fe oxides/hydroxides. The release of metals in combination with their mobility led to the enrichment of sediments in the Agrokipia area in Fe, Pb, Ag, Cu, Zn, Co, Cd.The accumulation of data reveals that the vicinity of the abandoned copper mining area in Agrokipia are polluted, at least to some extent, by the dispersion of metals. The main routes that facilitated the dispersion of metals were acid runoff drainage and stream water, as evidenced by the higher concentrations of potentially toxic elements (PTE) in water streams and sediments compared to the relevant background concentrations. Pollution was mainly associated with increased concentrations of Cu, Zn, Pb, Cd και Ag which mainly affected stream sediments and the surrounding cultivated areas, as evidenced by the calculated pollution indicators.The statistical processing of geochemical data with the application of factor analysis resulted in the creation of a six member model of factors and revealed the chemical phases that are responsible for the distribution of the above metals and how they bind to sediments in the area. The metals Pb, Ag, Cu, are absorbed on sulfates and hydroxides – Fe oxides while their distribution is limited around the piles of sterile materials, which reveals their relative slow mobility behavior in the disintegration environment of sulfides.The clay minerals in the sediments of the Agrokipia area are responsible for the distribution of most of the Co and part of the Cu concentration. The metals Zn and Cd, showed relatively greater mobility and after moving away from the area they precipitated where the presence of calcareous sediments prevails. The precipitation took place immediately after the change of the lithological composition where the lavas were replaced by the calcareous sediments.Calcareous pelagic sediments downstream of the Agrokipia deposit area, are the main factor controlling the distribution of metals. Mixing them with the dissolution products of sulfides and other minerals leads to a more alkaline environment and prevents the further dispersion of metals over long distances in the sediments of the area.In the coastal environment in the area of Pomos, north Paphos, it is found that there are areas that host significant alluvial deposits of heavy minerals. They are local deposits in places and belong to the category of bay coasts, along which the classic marine materials are in constant forward-backward motion and are subject to selective separation, classification and repositioning. Such conditions allowed the accumulation of high percentages of heavy minerals and magnetite specifically in places such as small bays where the materials were prevented from their longshore transport by the presence of protective stacks of hard rocks crossing edges of the bay beaches.Older and newer views on the types of coastal and continental shelf deposits as well as the data obtained from the study of magnetic sand concentrations in Chrysochous Bay, seem to contribute to possible accumulations of heavy minerals, mostly similar to the “Australian model”. Within the framework of applied geochemistry this effort is included considering that it will contribute the least to the coverage of an issue that has been little explored in Cyprus.The current sea level was reached 6000 years ago and the most recent analoge was during the last interglacial period when there was a possibility during this long period of time that the glacial period lasted extensive sediment transport to the continental shelf. This is reinforced by the fact that during the glacial periods of northern Europe the Mediterranean countries were characterized by periods of heavy rainfall, which creates large amounts of debris as a result of the erosion of the parent rocks covered by the Troodos ophiolite peripherally.The continental shelf in the area of Pomos gathers the possibilities to be considered as an area with prospect for the existence of concentrations of heavy materials (high prospective shelf area). The study of the morphology of the continental shelf of its slope as well as the recognition of the existence of still stand phases of sea level are very important factors in the further course of research for the knowledge of the marine potential of the continental shelf in heavy minerals in this interesting region of Cyprus. The continuation of research in this direction offers an opportunity and very interesting field adding in the knowledge of coastal placers in the continental shelf of Cyprus.

Κύριο αντικείμενο της εργασίας αποτελούν δυο θέματα τα οποία είναι συνδεδεμένα με την παρουσία του Οφιόλιθου Τροόδους, χωρίς όμως να έχουν μέχρι σήμερα διερευνηθεί αρκετά στο χώρο της Κύπρου. Το πρώτο μελετά την εκμετάλλευση των συνδεδεμένων θειούχων κοιτασμάτων και τη συμπεριφορά των μετάλλων σε περιβάλλον οξείδωσης και διάλυσης θειούχων ενώσεων μετά την εξόρυξη των θειούχων ορυκτών. Έχει σαν εφαρμογή της κυρίως την περιοχή Αγροκηπιάς στην ενδοχώρα αλλά συναντήθηκε και στην παράκτια περιοχή της Λίμνης, στην Πόλη Χρυσοχούς, Κύπρου. Περιοχές όπου έγινε εξόρυξη θειούχων ορυκτών (σουλφιδίων) από επιφανειακά και υπόγειο κοίτασμα. Επίσης η διατριβή επικεντρώνεται σε ένα δεύτερο παράγοντα ως αποτέλεσμα της παρουσίας του Οφιόλιθου, αυτόν της αποσάθρωσης και μεταφοράς των προιόντων πετρωμάτων διαβάση και υλικών στο κόλπου Χρυσοχούς στις βορειοδυτικές ακτές της Κύπρου. Ειδικότερα μελετάται η παρουσία προσχωματικών αποθέσεων βαριών ορυκτών ως αποτέλεσμα των παράκτιων διεργασιών που διαμορφώνονται μετά την αποσάθρωση των πετρωμάτων του Οφιόλιθου στην κοντινή ενδοχώρα στην βόρεια Πάφο και την μεταφορά των προϊόντων στο υψηλής ενέργειας παράκτιο περιβάλλον του κόλπου Χρυσοχούς. Ταυτόχρονα μελετώνται οι συνθήκες σε σχέση με το είδος των ακτών και παρουσιάζεται ένα μοντέλο διαμόρφωσης πιθανής παρουσίας αποθέσεων βαριών ορυκτών (placer deposits) στις ακτές και στο θαλάσσιο περιβάλλον, και ειδικότερα τοπικών συγκεντρώσεων τιτανομαγνητικής άμμου.Η έντονη μεταλλευτική δραστηριότητα που αναπτύχθηκε στην Κύπρο στον εικοστό αιώνα και η παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων χαλκού από κοιτάσματα θειούχων ενώσεων του σιδήρου, ήταν γνωστή από την αρχαιότητα. Αρκετά κοιτάσματα χαλκούχου σιδηροπυρίτη που συνδέονται με τις λάβες στην περιφέρεια του Οφιολιθικού συμπλέγματος Τροόδους, ανακαλύφθηκαν και εκμεταλλεύτηκαν το εικοστό αιώνα κατά διαστήματα. Η μεγαλύτερη όμως δραστηριότητα παρατηρήθηκε στα μέσα του αιώνα.Οι εγκαταλελειμμένες περιοχές εξόρυξης έχουν αφήσει μια κληρονομιά περιβαλλοντικών ζημιών με πιθανές επιπτώσεις στη δημόσια υγεία. Η παρούσα μελέτη στόχευε στην αξιολόγηση του επιπέδου ρύπανσης των χώρων που περιβάλλουν την εκσκαφή του μεταλλείου στην Αγροκηπιά μέσω της κινητοποίησης και μεταφοράς δυνητικά τοξικών στοιχείων συσχετίζοντας τα αποτελέσματα με την ορυκτολογία της περιοχής, συζήτηση πιθανών οικολογικών κινδύνων και κινδύνων για την ανθρώπινη υγεία και πρόταση στρατηγικών αναγέννησης / αποκατάστασης. Για το σκοπό αυτό, τα επίπεδα σημαντικών στοιχείων αξιολογήθηκαν στο όξινο νερό της εκσκαφής, των σωρών στείρων υλικών, των υδάτων και των ιζημάτων διαφόρων ρυακιών που προέρχονται από την περιοχή εξόρυξης και διέρχονται από το χωριό Αγροκηπιά, και από γεωργικά εδάφη σε προσκείμενο γειτονικό οπωρώνα ελιάς. Η συμπεριφορά μετά την απελευθέρωση και διασπορά μετάλλων, σαν αποτέλεσμα της μεταλλευτικής δραστηριότητας αποτελεί αντικείμενο της εργασίας. Στην περιοχή της Αγροκηπιάς έγινε εξόρυξη χαλκούχου σιδηροπυρίτη από ένα επιφανειακό και ένα υπόγειο κοίτασμα. Το αποτέλεσμα της απόθεσης των σωρών στείρων υλικών σε ατμοσφαιρικές συνθήκες ήταν η οξείδωση και διάλυση των σουλφιδίων της μεταλλοφορίας τα οποία περιέχονται σε μικρές συγκεντρώσεις στους σωρούς. Στοιχεία τα οποία συνυπήρχαν στην αρχική δομή των ορυκτών, διαχωρίστηκαν και απελευθερώθηκαν και στη συνέχεια συνδέθηκαν με νέες χημικές φάσεις που ελέγχονται από βασικές θειικές ενώσεις και οξείδια/υδροξείδια του Fe. Η απελευθέρωση των μετάλλων σε συνδυασμό με την κινητικότητα τους οδήγησε σε εμπλουτισμό των ιζημάτων της περιοχής Αγροκηπιάς σε Fe, Pb, Ag, Cu, Zn, Co, Cd. Η συσσώρευση στοιχείων αποκαλύπτει ότι τα περίχωρα της εγκαταλελειμμένης περιοχής εξόρυξης χαλκού στην Αγροκηπιά ρυπαίνονται, τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό, από τη διασπορά των μετάλλων. Οι κύριες οδοί που διευκόλυναν τη διασπορά των μετάλλων ήταν τα όξινες απορροές και τα νερά ρεμάτων, όπως αποδεικνύεται από τις υψηλότερες συγκεντρώσεις δυνητικά τοξικών στοιχείων σε υδάτινα ρεμάτων και ιζήματα σε σύγκριση με τις σχετικές συγκεντρώσεις υποβάθρου. Η ρύπανση συσχετίστηκε κυρίως με αυξημένες συγκεντρώσεις Cu, Zn, Pb, Cd και Ag που αφορούσαν κυρίως τα ρυάκια και τα γύρω γεωργικά εδάφη, όπως αποδεικνύεται από τους υπολογισμένους δείκτες μόλυνσης.Η στατιστική επεξεργασία των γεωχημικών δεδομένων με την εφαρμογή της ανάλυσης ομάδων και στη συνέχεια παραγοντικής ανάλυσης κατέληξε στην δημιουργία εξαμελούς μοντέλου παραγόντων και φανέρωσε τις χημικές φάσεις που είναι υπεύθυνες για την κατανομή των πιο πάνω μετάλλων καθώς και τον τρόπο σύνδεσης τους στα ιζήματα της περιοχής. Τα μέταλλα Pb, Ag, Cu, βρίσκονται προσροφημένα στις θειικές ενώσεις και υδροξείδια- οξείδια Fe ενώ η κατανομή τους περιορίζεται γύρω από τους σωρούς στείρων υλικών γεγονός που φανερώνει και την σχετική δυσκίνητη συμπεριφορά τους στο περιβάλλον διάλυσης των θειούχων ενώσεων. Τα αργιλικά ορυκτά στα ιζήματα της περιοχής Αγροκηπιάς είναι υπεύθυνα για την κατανομή του μεγαλύτερου μέρους του Co και μέρους της συγκέντρωσης Cu. Τα μέταλλα Zn και Cd, έδειξαν σχετικά μεγαλύτερη κινητικότητα και αφού απομακρύνθηκαν από την περιοχή των λαβών καθίζαναν σε περιοχή όπου επικρατεί η παρουσία ασβεστούχων ιζημάτων. Η κατακρήμνιση έγινε μετά την αλλαγή της λιθολογικής σύστασης όπου οι λάβες αντικαταστάθηκαν από τα ασβεστούχα ιζήματα.Τα ασβεστούχα πελαγικά ιζήματα, κατάντι της περιοχής των κοιτασμάτων της Αγροκηπιάς είναι ο κυριότερος παράγοντας που ελέγχει την κατανομή των μετάλλων. Η ανάμειξη τους με τα προϊόντα της διάλυσης των σουλφιδίων και άλλων ορυκτών οδηγεί σε αλκαλικότερο περιβάλλον και εμποδίζει την παραπέρα διασπορά των μετάλλων σε μακρινές αποστάσεις στα ιζήματα της περιοχής.Η παρουσία του Οφιόλιθου στην ακτή και στην κοντινή ενδοχώρα αποτελεί μοναδική περίπτωση εμφάνισης στην Κύπρο, και βρίσκεται στο παράκτιο περιβάλλον στην περιοχή Πωμού. Σε ειδικές περιοχές όπου υπάρχουν οι κατάλληλες παράκτιες φυσικές διεργασίας διαπιστώνεται ότι υπάρχουν θέσεις οι οποίες φιλοξενούν αξιοσημείωτες προσχωματικές αποθέσεις βαριών ορυκτών. Είναι τοπικές αποθέσεις σε θέσεις που ανήκουν στην κατηγορία των μικρών κολποειδών ακτών, κατά μήκος των οποίων τα κλαστικά θαλάσσια υλικά βρίσκονται σε συνεχή κίνηση κάθετα προς την ακτή (forward-backward) και υπόκεινται σε εκλεκτικό διαχωρισμό, ταξιθέτηση και επαναπόθεση. Τέτοιες συνθήκες επέτρεψαν τη συσσώρευση ψηλών ποσοστών βαριών ορυκτών και ειδικότερα τιτανομαγνητίτη σε θέσεις όπως μικροί κολπίσκοι όπου τα υλικά εμποδίστηκαν από την κατά μήκος των ακτών μεταφορά τους(longshore transport) με την ύπαρξη προστατευτικών προεξοχών σκληρών πετρωμάτων διαβάση στα άκρα των κολποειδών παραλιών.Οι παλαιότερες και νεότερες απόψεις για τους τύπους προσχωματικών κοιτασμάτων ακτών και υφαλοκρηπίδας καθώς και των δεδομένων που προέκυψαν από τη μελέτη των συγκεντρώσεων μαγνητιτικών άμμων στο κόλπο Χρυσοχούς, πιθανόν συντείνουν για πιθανές αποθέσεις βαριών ορυκτών, περιλαμβανομένου τιτανομαγνητίτη, στην υφαλοκρηπίδα της Κύπρου και ομοιάζουν και προσεγγίσουν το “Αυστραλιανό Μοντέλο” παρόμοιων προσχωματικών ορυκτών. Μέσα στα πλαίσια της εφαρμοσμένης γεωχημείας και ορυκτολογίας εντάσσεται η προσπάθεια αυτή θεωρώντας ότι θα συμβάλλει το ελάχιστο στη γνώση ενός θέματος που λίγο έχει διερευνηθεί στην Κύπρο.Η σημερινή στάθμη της θάλασσας επιτεύχθηκε πριν 6000 χρόνια, και η πιο πρόσφατα ανάλογη ήταν κατά τη τελευταία μεσοπαγετώδη περίοδο οπότε υπήρξε η δυνατότητα κατά τη μεγάλη αυτή χρονική περίοδο που διήρκησε η παγετώδης περίοδος να συντελέστηκε εκτενής μεταφορά ιζημάτων στη σημερινή υφαλοκρηπίδα. Αυτό ενισχύεται από το γεγονός ότι κατά τις περιόδους παγετώνων της βόρειας Ευρώπης, στις Μεσογειακές χώρες επικρατούσαν περίοδοι έντονων βροχοπτώσεων οπότε δημιουργήθηκαν μεγάλες ποσότητες κορημάτων που είχαν προκύψει από διάβρωση των μητρικών πετρωμάτων και κάλυψαν περιφερειακά τον Οφιόλιθο Τροόδους. Η ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα στην περιοχή του Πωμού συγκεντρώνει τις δυνατότητες να θεωρηθεί σαν περιοχή με αρκετές πιθανότητες ύπαρξης συγκεντρώσεων βαριών ορυκτών (highly prospective shelf area). Η μελέτη της μορφολογίας της υφαλοκρηπίδας της κλίσης της καθώς και η αναγνώριση ύπαρξης περιόδων σταθερότητας (still stand) φάσεων της στάθμης της θάλασσας είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες στην παραπέρα πορεία των ερευνών για τη γνώση του θαλάσσιου δυναμικού της υφαλοκρηπίδας σε βαριά ορυκτά στην ενδιαφέρουσα αυτή περιοχή της Κύπρου. Η συνέχιση των ερευνών προς αυτή την κατεύθυνση προσφέρει ένα πολύ ενδιαφέρον πεδίο στον τομέα της γνώσης της σύγχρονης κοιτασματογένεσης στη θαλάσσια περιοχή της Κύπρου