Ωκεανογραφικές - γεωμορφολογικές έρευνες στον κεντρικό Κορινθιακό κόλπο σε σχέση με τη διασπορά μεταλλευτικών αποβλήτων ερυθράς ιλύος

Abstract

Corinth Gulf constitutes a natural laboratory for the study of sedimentary processes that control the sediment transport from the shelf to the deep basin floor. The gulf comprises an active continental margin which reaches a maximum depth of about 870 m and hosts a number of processes that alter the seafloor morphology and form the sedimentation regime. On the northern coast of the central Gulf of Corinth operates since 1970, a Submarine Tailings Disposal System. The tailings, also known as red mud, are the by-product of the bauxite processing for the aluminum production. Red mud is discharged on the shelf of the Antikyra Gulf. The present PhD research thesis studies the important environmental issue of the red mud tailings distribution and dispersion in the central Corinth Gulf. The study was based on a wide spectrum of primordial and original data collected by the Laboratory of Marine Geology & Physical Oceanography, in Department of Geology, University of Patras. Data collection was performed in four marine surveys from 1994 to 2007. The surveys comprised of marine geophysical exploration using Sub-bottom Profiler, Echo-sounder and Side Scan Sonar systems and visual inspection of the seafloor using a remotely operated vehicle (ROV). Furthermore, a dense grid of sediment samples using Day grab and also a gravity core, were collected. A series of laboratory analyses were performed for the physical, chemical and mineralogical characterization of the marine sample sediments. The geophysical dataset presented the detailed bathometry and morphology of the study area. The slope of the northern coast of the Corinth Gulf is incised by numerous of submarine canyons. Twenty eight canyons were identified and measured in terms of dimensions, dip of the walls and thickness of sediment cover. Seventeen of these are developed on the slope southwards from Antikyra Gulf. Red mud is being discharged on the shelf floor of Antikyra Gulf, at a water depth of 100-120 m through a submarine pipeline system. Red mud is a sludge which consists of fine-grained sediment particles (mud and sand) mixed with sea water. At the pipeline outfall site, on the shelf, red mud has formed a surface layer of significant thickness. By 1994 three submarine sediment lobes were formed. Lobe A, on the west, has maximum height of 14 m. Lobe B, in the center, rises 27 m above the seafloor. Lobe C, on the east has maximum elevation of 23 m. The three lobes merge into a common lobe-shape main red mud deposit. Red mud is dispersed from the main lobe-shape deposition. Visual inspection of the shelf seafloor has shown that the submarine pipelines are buried under a layer of red mud northwards from the lobes, in a water depth of about 53 m. Downhill from the lobes red mud disperse in a S-SW direction. Thus, a surface layer of red mud with minimum thickness of 1 m has formed and constitutes the wider red mud deposit, which encompass the main red mud deposit. Sediment samples presented that the shelf floor is covered by a thin surface layer of red mud with minimum thickness of few to 1 cm. Furthermore visual inspection showed a thin veneer of red mud covers the natural seafloor at the water depth of 265 m, at the shelf break. On the basin floor red mud has formed surface and sub-surface layers that intercalate with the natural sediments. During the '90s the mean annual red mud production was 640,000 tones. In 1994 the red mud deposits on the shelf floor cover 36.5 km² and the total volume was estimated at 40.8 million tones. On the basin floor red mud layers cover 288 km². The volume of the materials was estimated to be 1.96 million tones. The total volume of red mud that has been discharged from 1970 to 1994 is estimated to be 43 million tones. 4.5% of the total volume of this material is being transported to the basin floor while the majority (95.5%) lays on the shelf floor. The dispersion of red mud from the main deposition is attributed mainly to two processes. The high sedimentation rate at the lobes due to the ample supply of red mud from the pipelines, can cause excess sediment pore pressure and induce sediment failures from the lobes. The other process is associated with the high seismicity of the Corinth Gulf. During the period of the data collection (1994-2007) a number of earthquakes shocked the study area and had magnitudes (Ms>5) that were able to cause submarine sediment failures. Also the epicentral area laid in a distance of less than 60 km from the area of red mud deposits on the shelf. These earthquakes potentially stroke the lobe-shape deposit of the red mud and caused submarine sediment failures and landslides. The initial landslides at the lobes are transformed into mass flows that disperse the red mud on the shelf, floor as far as the shelf break. At the shelf break due to the dip increase, turbidity currents are triggered, cross the slope and carry the red mud at the central basin of the Corinth Gulf, where they finally deposit. In the upper 20 cm of the sedimentary cover of the basin floor were recognized eight discrete sedimentary units. These units bear characteristics of fine-grained turbidites and have been formed by different tourbidity currents that crossed the slope. The currents curried either red mud, or natural sediments or both. Each turbidity current that formed the sedimentary units on the basin floor, crossed more than one canyon on the slope each time. However each tourbiditic event crosses different canyons each time. The sedimentation rate for the upper sedimentary cover of the basin floor which consist of the red mud layers and the intercalating natural sediments, is estimated for the present study and ranges from 0.8 to 3.3 mm/y. This rate is higher than the hemipelagic sedimentation rate during the Holocene in Ionian and Aegean Sea. However is close to the mean sedimentation rate that has been estimated by the recent tourbiditic sequences in the central Corinth Gulf basin by previous works. Red mud due to the parental material and the production process is highly enriched in heavy metals such as Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, V, Al, Fe, Ti. The concentrations of these metals are extremely higher than the background values. However red mud deposits on the shelf and the basin floor are depleted in the heavy metal concentration comparing to the red mud in an onshore pool, prior to the submarine discharge. Mixing of red mud with seawater during the discharge from the pipelines decreases the levels of heavy metals. Also a depletion in metal concentration is observed in the basin floor red mud deposits comparing to the main red mud deposition at the lobes and this may be attributed to the gravitational processes that come about and transport the red mud from the source (lobes) to the sink (basin floor). During the transport takes place mixing between the red mud and the natural sediments. On the basin floor the red mud has decreased concentrations of metals and shows elevated concentrations in elements that abound in natural sediments.

Ο Κορινθιακός κόλπος αποτελεί ένα φυσικό εργαστήριο για την παρακολούθηση ιζηματολογικών διεργασιών μεταφοράς ιζημάτων από το περιβάλλον της υφαλοκρηπίδα σε αυτό της λεκάνης. Η μορφολογία και η δομή του Κορινθιακού κόλπου φέρουν τα χαρακτηριστικά ενός ενεργού ηπειρωτικού περιθωρίου με βάθη από 100 μέχρι ~850 m όπου αναπτύσσονται ένα πλήθος διεργασιών που δρουν μεταβάλλοντας το ανάγλυφο και διαμορφώνουν το ιζηματογενές κάλυμμα. Στο βόρειο περιθώριο του Κεντρικού Κορινθιακού Κόλπου πραγματοποιείται από το 1970, η υποθαλάσσια έκχυση μεταλλευτικών απόβλητων που σχηματίζονται κατά την επεξεργασίας βωξίτη για την παραγωγή αλουμίνας. Τα μεταλλευτικά απόβλητα, γνωστά και ως ερυθρά ιλύς, απορρίπτονται στην υφαλοκρηπίδα του κόλπου της Αντίκυρας, στην βόρια ακτή του Κορινθιακού Κόλπου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται το σημαντικό, για τον ελληνικό θαλάσσιο χώρο, περιβαλλοντικό θέμα της εξάπλωσης της βωξιτικής ερυθράς ιλύος στον Κεντρικό Κορινθιακό κόλπο. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις διεργασίες διασποράς και μεταφοράς της ερυθράς ιλύος στην περιοχή έρευνας. Η μελέτη του θέματος της διατριβής στηρίχθηκε σε ένα ευρύ φάσμα πρωτογενών δεδομένων που συλλέχθηκαν από το Εργαστήριο Θαλάσσιας Γεωλογίας & Φυσικής Ωκεανογραφίας του Τμήματος Γεωλογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών. Η συλλογή των δεδομένων πραγματοποιήθηκε σε τέσσερις χρονικές περιόδους από το 1994-2007. Κατά την διάρκεια των ωκεανογραφικών αποστολών εκτελέσθηκαν θαλάσσιες γεωφυσικές έρευνες με χρήση τομογράφου υποδομής πυθμένα και ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης, οπτικές παρατηρήσεις του πυθμένα με χρήση κατευθυνόμενου υποβρύχιου οχήματος και συλλέχθηκε ένας μεγάλος αριθμός δειγμάτων ιζήματος. Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής εκτελέστηκαν μία σειρά αναλύσεων για τις φυσικές, χημικές και ορυκτολογικές ιδιότητες των δειγμάτων. Η επεξεργασία των γεωφυσικών δεδομένων οδήγησε στην λεπτομερή αποτύπωση της βαθυμετρίας και μορφολογίας της περιοχής έρευνας. Η κατωφέρεια του βόρειου περιθωρίου του Κορινθιακού Κόλπου διασχίζεται από πολυάριθμες χαραδρώσεις. Συνολικά αναγνωρίστηκαν είκοσι οκτώ (28) χαραδρώσεις. Δεκαεφτά (17) από αυτές αναπτύσσονται στην κατωφέρεια του Κόλπου της Αντίκυρας. Η ερυθρά ιλύς εκχύνεται στην υφαλοκρηπίδα του Κόλπου της Αντίκυρας διαμέσου ενός συστήματος υποβρύχιων αγωγών οι οποίοι τερματίζουν σε βάθος νερού 100-120 m. Το μεταλλευτικά απόβλητα αποτελούν ένα μείγμα λεπτόκοκκων υποπροϊόντων (ιλύς και λεπτόκοκκη άμμος) με θαλασσινό νερό που απορρίπτεται σε μορφή λάσπης στον πυθμένα της υφαλοκρηπίδας. Στην περιοχή εξόδου των αγωγών, στην υφαλοκρηπίδα, η ερυθρά ιλύς σχημάτισε συγκεντρώσεις σημαντικού πάχους. Μέχρι το 1994 σχηματίστηκαν τρεις υποθαλάσσιοι λοβοί. Ο λοβός Α, στα δυτικά, έχει μέγιστο ύψος 14 m. Ο κεντρικός λοβός Β έχει μέγιστο ύψος 27 m. Ο ανατολικός λοβός Γ έχει μέγιστο ύψος 23 m. Οι τρεις λοβοί συνενώνονται σε μία ενιαία λοβοειδή κύρια απόθεση. Η ερυθρά ιλύς διασπείρεται από την κύρια λοβοειδή απόθεση. Η οπτική διασκόπηση του πυθμένα έδειξε ότι προς τα ανάντη των λοβών οι υποβρύχιοι αγωγοί έχουν θαφτεί από ερυθρά ιλύ σε βάθος νερού ~53 m. Προς τα κατάντη η ερυθρά ιλύς διασπείρεται σε Ν-ΝΔ διεύθυνση. Δημιουργείται έτσι ένα επιφανειακό στρώμα ερυθράς ιλύος πάχους 27 έως 1 m, το οποίο αποτελεί την ευρύτερη απόθεση ερυθράς ιλύος. Δείγματα ιζήματος από την υφαλοκρηπίδα παρουσίασαν ότι ο πυθμένας καλύπτεται από ένα επιφανειακό στρώμα ερυθράς ιλύος ελάχιστου πάχους ενός εκατοστού. Επιπλέον υποβρύχιες εικόνες επιβεβαίωσαν την κάλυψη του φυσικού πυθμένα της υφαλοκρηπίδας από ένα λεπτό επίχρισμα ερυθράς ιλύος σε βάθος νερού 265 m, στο υφαλόριο. Στην λεκάνη του κεντρικού Κορινθιακού Κόλπου η ερυθρά ιλύς σχημάτισε επάλληλα επιφανειακά και υπο-επιφανειακά στρώματα τα οποία εναλλάσσονται με φυσικά ιζήματα. Τη δεκαετία του 1990 η μέση ετήσια παραγωγή ερυθράς ιλύος ήταν 640,000 τόνοι. Μέχρι το 1994 οι αποθέσεις της ερυθράς ιλύος στον πυθμένα της υφαλοκρηπίδας εκτείνονται σε 36.5 km², και ανέρχονται σε όγκο που εκτιμάται στους 40.8 εκατ. τόνους. Η οπτική διασκόπηση έδειξε ότι ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα ερυθράς ιλύος να καλύπτει τον φυσικό πυθμένα της υφαλοκρηπίδας μέχρι το υφαλόριο, σε βάθος νερού 265 m. Στην κεντρική λεκάνη του Κορινθιακού κόλπου οι αποθέσεις της ερυθράς ιλύος συνολικά καλύπτουν 288 km² του πυθμένα. O όγκος των αποθέσεων της ερυθράς ιλύος στη λεκάνη εκτιμήθηκε στους 1.96 εκατ. τόνους. Ο συνολικός όγκος της ερυθράς ιλύος που έχει απορριφθεί από το 1970-1994 στο βόρειο περιθώριο του Κορινθιακού Κόλπου αγγίζει τους 43 εκατ. τόνους. Από αυτό το υλικό μόλις το 4.5% μεταφέρεται στην κεντρική λεκάνη του Κορινθιακού Κόλπου, ενώ το 95.5% παραμένει στην υφαλοκρηπίδα του Κόλπου της Αντίκυρας. Δύο μηχανισμοί κυρίως ευθύνονται για τη διασπορά της ερυθράς ιλύος από την κύρια απόθεση στην υφαλοκρηπίδα. Ο υψηλός ρυθμός ιζηματογένεσης στους λοβούς εξαιτίας της μεγάλης ποσότητας υλικού που απορρίπτεται από τους αγωγούς, προκαλεί αύξηση στους πόρους των ιζημάτων και οδηγεί σε αστοχίες στα πρανή των λοβών. Ο έτερος μηχανισμός, οποίος είναι και ο πιο σημαντικός, αφορά στην έντονη σεισμικότητα της περιοχής έρευνας. Ένας αριθμός σεισμών που έχουν εκδηλωθεί στην ευρύτερη περιοχή του Κόλπου της Αντίκυρας, για την χρονική περίοδο που μελετήθηκε η ερυθρά ιλύς (1994-2007), είχαν μέγεθος (Ms>5) ικανό να προκαλέσει υποθαλάσσιες βαρυτικές μετακινήσεις μαζών. Επιπλέον το σεισμικό τους επίκεντρο βρισκόταν σε απόσταση μικρότερη των 60 km από την περιοχή της απόθεσης της ερυθράς ιλύος. Οι σεισμοί αυτοί δυνητικά έπληξαν τους λοβούς της ερυθράς ιλύος και πυροδότησαν υποθαλάσσιες κατολισθήσεις. Οι κατολισθήσεις από τα πρανή των λοβών μετασχηματίζονται σε ροή μάζας που διασπείρουν την ερυθρά ιλύ στον πυθμένα της υφαλοκρηπίδας, μέχρι το υφαλόριο. Στο υφαλόριο η αύξηση της κλίσης του πρανούς μετασχηματίζει τις ροές μάζας σε τουρβιδιτικά ρεύματα που μεταφέρουν την ερυθρά ιλύ στην κεντρική λεκάνη του Κορινθιακού Κόλπου. Στα ανώτερα 20 cm των επιφανειακών ιζημάτων της κεντρικής λεκάνης του Κορινθιακού Κόλπου, αναγνωρίστηκαν οκτώ (8) ιζηματολογικές ενότητες οι οποίες αποτελούν αποθέσεις λεπτόκοκκων τουρβιδιτών. Οι ενότητες σχηματίστηκαν από ισάριθμα τουρβιδιτικά ρεύματα που διέσχισαν την κατωφέρεια και μετάφεραν ερυθρά ιλύ, φυσικά ιζήματα ή και τα δύο. Διαπιστώθηκε μάλιστα ότι τα τουρβιδικά ρεύματα που σχημάτισαν τις επιφανειακές αποθέσεις της λεκάνης, διέσχισαν διαφορετικές χαραδρώσεις κάθε φορά, αλλά περισσότερες από μία χαράδρωση ενεργοποιήθηκαν σε κάθε τουρβιδιτικό γεγονός. Ο ρυθμός ιζηματογένεσης για τα ανώτερα 20 cm των ιζημάτων της κεντρικής λεκάνης υπολογίστηκε στην παρούσα εργασία και εκτιμάται από 0.8 έως 3.3 mm/yr. Είναι σημαντικά υψηλότερος από το ρυθμό ημιπελαγικής ιζηματογένεσης κατά τη διάρκεια του Ολοκαίνου στο Ιόνιο και το Αιγαίο αλλά κοντά στο μέσο ρυθμό ιζηματογένεσης που προέκυψε από τις πρόσφατες ενστρωμένες ακολουθίες τουρβιδιτών στη λεκάνη του Κορινθιακού Κόλπου, όπως αναφέρεται από προηγούμενες έρευνες. Η ερυθρά ιλύς εξαιτίας του μητρικού πετρώματος και της διεργασίας παραγωγής αποτελεί ένα ίζημα εμπλουτισμένο σε βαρέα μέταλλα καθώς χαρακτηρίζεται από υψηλές συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, V, Al, Fe, Ti. Οι συγκεντρώσεις αυτές είναι πολύ υψηλότερες από τις αντίστοιχες του υποβάθρου (δείκτες εμπλουτισμού >>1). Παρατηρήθηκε ωστόσο αραίωση των συγκεντρώσεων των παραπάνω μετάλλων στις αποθέσεις της υφαλοκρηπίδας και της λεκάνης σε σχέση με την ερυθρά ιλύ στις επίγειες δεξαμενές στο εργοστάσιο επεξεργασίας (δείκτες αραίωσης <1). Πιθανώς η ανάμειξη της ερυθράς ιλύος με το θαλασσινό νερό κατά την απόρριψη από τους αγωγούς να προκαλεί μείωση των συγκεντρώσεων των μετάλλων. Οι βαρυτικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή του Κορινθιακού Κόλπου και ευθύνονται για τη μεταφορά της ερυθράς ιλύος από τους λοβούς προς τα κατάντη επιδρούν στη σύσταση του μεταλλοφόρου ιζήματος. Κατά την μεταφορά προκαλείται ανάμειξη της ερυθράς ιλύος με το φυσικό ίζημα του πυθμένα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μειώνονται οι συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων και η ερυθρά ιλύς να εμπλουτίζεται σε στοιχεία που αφθονούν στα φυσικά ιζήματα.