Συνθήκες σχηματισμού των υπογενών σπηλαίων στο ελληνικό ορογενές
Authors: Λαζαρίδης Γεώργιος 
Published: March 2024

Η διατριβή εξετάζει τον τρόπο γένεσης των υπογενών σπηλαίων της Ελλάδας που σχηματίστηκαν από ανερχόμενα υδροθερμικά ρευστά, με έμφαση στην ορυκτολογική, γεωχημική και ισοτοπική σύσταση των σπηλαιοθεμάτων, καθώς και στην μικροθερμομετρική μελέτη των ρευστών εγκλεισμάτων σε ασβεστίτες. Το πρώτο στάδιο της διατριβής αποτέλεσε ο εντοπισμός των πιθανών υπογενών σπηλαίων στον ελληνικό χώρο και στη συνέχεια ακολούθησε η επιτόπια έρευνα, η αναγνώριση και τεκμηρίωσή τους. Σε πολλές περιπτώσεις εντοπίστηκαν και νέα σπήλαια. Το στάδιο της εργασίας υπαίθρου περιελάβανε την τοπογραφική χαρτογράφηση και φωτογραφική τεκμηρίωση, την εξερεύνησή τους και τη μελέτη της υπόγειας γεωμορφολογίας με την καταγραφή και παρατήρηση των μορφών διάλυσης. Από την έρευνα αυτή εντοπίστηκαν σχεδόν εκατό σπήλαια σε όλες τις γεωτεκτονικές ζώνες της Ελλάδας. Σε ένα ποσοστό περίπου 20% αυτών των σπηλαίων έγινε εφικτό να εντοπιστούν δευτερογενείς αποθέσεις ορυκτών που σχηματίστηκαν από υδροθερμικά ρευστά, τα οποία συμμετείχαν στην διαδικασία της σπηλαιογένεσης. Αναλυτικά μελετήθηκαν 33 σπήλαια στις ακόλουθες 21 τοποθεσίες: σπήλαιο στο λατομείο του Μαύρου Βράχου στο Σιδηρόκαστρο, σπήλαια στο Φαλακρό Όρος, σπήλαια στην περιοχή Λουτρών Ελευθερών, σπήλαιο του Θεοχάρη στο Μενοίκιο, σπήλαιο Ρετζικίου στη Θεσσαλονίκη, σπήλαια στο Όρος Άθως, σπήλαιο Μαρώνειας, σπήλαιο Καγιάλι και σπήλαια Κουφόβουνου στον Έβρο, σπήλαια Πετραλώνων και Νυχτερίδων στην περιοχή των Πετραλώνων, σπήλαια Αγίας Παρασκευής Χαλκιδικής, σπηλαιοβάραθρο Αλμωπίας, σπήλαια στο λατομείο Πολυκάρπης, σπήλαια Λέσβου, σπήλαιο Ρούτση στη Ραψάνη, βάραθρο του Όρλιακα, σπήλαια Υμηττού, σπήλαια Ικαρίας, σπήλαιο Κρύας Βρύσης στην Καρδίτσα, και σπήλαια Κουνουπέλι και Ανυγρίδων Νυμφών στη δυτική Πελοπόννησο. Τα σπήλαια αυτά αρχικά αναγνωρίστηκαν ως υπογενή με γεωμορφολογικά κριτήρια. Στη συνέχεια διερευνήθηκαν περαιτέρω, για να εντοπιστούν τα σπηλαιοθέματα που συνδέονται με τη σπηλαιογένεση. Τέτοια σπηλαιοθέματα ήταν κρύσταλλοι ασβεστίτη, καθώς και μαστοειδείς αποθέσεις με μορφή επιφλοιώσεων που έχουν αποτεθεί στα τοιχώματα των σπηλαίων και είναι γνωστές ως «mammillaries» ή «cave clouds». Αυτά τα σπηλαιοθέματα σχηματίζονται κυρίως στο τελευταίο στάδιο της υπογενούς σπηλαιογένεσης. Τα δείγματα που συλλέχθηκαν από τα παραπάνω σπήλαια μελετήθηκαν με οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία, με γεωχημικές αναλύσεις κύριων στοιχείων και ιχνοστοιχείων με XRF, ICP-MS και ICP-AES, με περιθλασιμετρία ακτίνων-Χ (XRD), με μικροαναλύσεις στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM-EDS), με ανάλυση σταθερών ισοτόπων C και O σε ασβεστίτες και ισοτόπων S και Ο σε δείγματα γύψου, και με μικροθερμομετρική μελέτη ρευστών εγκλεισμάτων. Τα δεδομένα που προέκυψαν συνδυάστηκαν με γεωμορφολογικά, τεκτονικά, υδρολογικά και άλλα στοιχεία στα επιμέρους σπήλαια, ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για τη σπηλαιογένεση κάθε σπηλαίου ή ομάδας σπηλαίων. Έτσι, για κάθε περίπτωση σπηλαίου που μελετήθηκε ερμηνεύεται η σπηλαιογένεση, ταξινομείται το σπήλαιο με βάση τους τύπους υπογενών σπηλαίων και δίνεται όπου είναι δυνατό ένα χρονικό πλαίσιο για το σχηματισμό του.Η ορυκτολογική σύσταση από τα δείγματα των σπηλαίων που μελετήθηκαν αποτελείται κυρίως από ασβεστίτη, γύψο και οξείδια Fe και Mn. Σπανιότερα εντοπίζονται θειούχα και θειικά ορυκτά, όπως αυτά της παραγένεσης κίτρινη σανδαράχη-ταμαρουνγκίτης-πιγκερινγκίτης-γύψος στα σπήλαια των Λουτρών Αγίας Παρασκευής στη Χαλκιδική. Επίσης, σε δύο περιπτώσεις εντοπίστηκε χαλαζίας. Συνολικά καταγράφηκαν 10 ορυκτά που συνδέονται με τις υπογενείς διεργασίες δημιουργίας και εξέλιξης των σπηλαίων που μελετήθηκαν. Αυτά τα ορυκτά είναι τα εξής: ασβεστίτης, αραγωνίτης, γύψος, γκαιτίτης, χαλαζίας, κίτρινη σανδαράχη, ταμαρουνγκίτης, πικερινγκίτης, αλουνίτης, και βαρύτης. Επιπλέον εντοπίστηκαν οξείδια και υδροξείδια Fe και Mn, καθώς και άμορφα πυριτικά και αργιλοπυριτικά ορυκτά. Τα οξείδια και υδροξείδια σιδήρου και μαγγανίου μελετήθηκαν για πρώτη φορά στα ελληνικά σπήλαια και εντοπίστηκε η μοναδική ως τώρα περίπτωση στην Ελλάδα απόθεσης που φέρει βιο-υπογραφές μικροοργανισμών. Ο χαλαζίας βρέθηκε για πρώτη φορά σε ελληνικά σπήλαια. Από τα ορυκτά που εντοπίστηκαν στα σπήλαια αυτά, μελετήθηκαν ειδικότερα ο ασβεστίτης, η γύψος και τα οξείδια Fe και Mn. Η χημική σύσταση των ασβεστιτών ποικίλλει σημαντικά κυρίως ως προς τα ιχνοστοιχεία που παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις οι οποίες προφανώς έχουν σχέση με τις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούσαν σε κάθε περιοχή, όπως τα διαφορετικά πετρώματα ανά περιοχή, ο χημισμός των υδροθερμικών ρευστών και του νερού, και η υπόγεια διαδρομή τους, η θερμοκρασία, η πίεση, και ο ρυθμός απόθεσης. Οι χημικές αναλύσεις σε κρυστάλλους ασβεστίτη έδειξαν στα περισσότερα σπήλαια σχετικά υψηλές περιεκτικότητες σε Fe, Mn, Zn, As, Rb και Sr, ενώ σπανιότερα ανιχνεύθηκαν Cu, Ba, Hg, Ni και Pb. Αναλύσεις σε γκαιτίτες έδειξαν επίσης την παρουσία Ga, V, W, La και Ce. Όλα αυτά τα στοιχεία μπορούν να συνδεθούν με τα γεωθερμικά πεδία ή σε κάποιες περιπτώσεις με μεταλλοφορίες στις επιμέρους περιοχές.Στα δείγματα ασβεστίτη που μελετήθηκαν, οι τιμές του δ13C κυμαίνονται από -12,7 έως 5,42 ‰ VPDB και του δ18Ο από -16,98 έως -4,39 ‰ VPDB. Οι τιμές για το δ13C προβάλλονται στο εύρος των ασβεστιτών από υδροθερμικά-υπογενή συστήματα σπηλαίων και έχουν υψηλότερες τιμές από αυτές που συνήθως εμφανίζουν τα σπηλαιοθέματα της ζώνης κατείσδυσης και ακόμη περισσότερο από τις τιμές που υπάρχουν στο έδαφος. Συνεπώς σε συνδυασμό αυτά τα στοιχεία δείχνουν ότι η πηγή του διοξειδίου του άνθρακα είναι αβιογενής. Για το δ18Ο φαίνεται ότι οι χαμηλότερες τιμές προβάλλονται στο εύρος των τιμών δ18Ο σε ασβεστίτες από άλλα υδροθερμικά σπήλαια. Ωστόσο, στο σύνολό τους τα δεδομένα εμφανίζουν μια μετατόπιση προς υψηλότερες τιμές δ18Ο που σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες ομογενοποίησης από τα ρευστά εγκλείσματα δείχνουν υψηλότερες θερμοκρασίες των υδροθερμικών ρευστών κατά τη σπηλαιογένεση. Αντίστοιχα, στα δείγματα γύψου οι τιμές του δ34S κυμαίνονται από -27,7 έως -4,0 ‰ VCDT και του δ18Ο από -4,57 έως -1,86 ‰ VSMOW. Οι τιμές των ισοτόπων δ34S και δ18O από τα δείγματα γύψου δείχνουν μια διαφοροποίηση μεταξύ της γύψου από την Αγία Παρασκευή Χαλκιδικής και από την δυτική Πελοπόννησο, όπου φαίνεται ότι το Η2S παράγεται σε βάθος εξαιτίας της αναγωγής των θειικών αλάτων και της παρουσίας υδρογονανθράκων. Τα ρευστά που δημιούργησαν τα σπήλαια που μελετήθηκαν είχαν κυρίως μετεωρική προέλευση. Οι μέσες τιμές που εμφανίζουν οι θερμοκρασίες ομογενοποίησης που μετρήθηκαν στους ασβεστίτες είναι υψηλές, και κυμαίνονται από 90°C έως 225°C, και οι αλατότητες κυμαίνονται από 0,2 έως 3,4 wt% NaCl equiv.Η σπηλαιογένεση οφείλεται σε διάλυση κυρίως από ανθρακικό οξύ και σε κάποιες περιπτώσεις, όπως στην Αγία Παρασκευή Χαλκιδικής και στην δυτική Πελοπόννησο, από θειικό οξύ. Η πρώτη περίπτωση συνοδεύεται από απόθεση ανθρακικού ασβεστίου όταν με την άνοδο στην ανώτερη υδροδυναμική ζώνη μειώνεται η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα. Η δεύτερη περίπτωση έχει ως αποτέλεσμα της σπηλαιογένεσης το σχηματισμό θειούχων και θειικών ορυκτών. Τα σπήλαια που συνδέονται με την απόθεση ανθρακικού ασβεστίου εμπίπτουν στην κατηγορία της ενδογενούς υπογενούς σπηλαιογένεσης που τοποθετείται χωρικά στη ζώνη της ρευστο-γεωδυναμικής επίδρασης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η άνοδος των ρευστών γίνεται διαμέσου των σχηματισμών αυτής της ζώνης με ροές που ελέγχονται από ρηξιγενείς τεκτονικές δομές. Όσα σπήλαια δεν εμπίπτουν στην παραπάνω κατηγορία της ενδογενούς υπογενούς σπηλαιογένεσης, ανήκουν στην ομάδα υπογενών σπηλαίων που σχηματίζονται σε ελεύθερους ή εγκλωβισμένους υδροφορείς που διακόπτονται πλευρικά από την επιφανειακή διάβρωση ή πλευρικά επικοινωνούν με τη θάλασσα, και η σπηλαιογένεση καθοδηγείται από θειικό οξύ, όπως στα σπήλαια στη δυτική Πελοπόννησο. Υπάρχει επιπλέον και η περίπτωση των σπηλαίων της Αγίας Παρασκευής, όπου διαπιστώνεται η συνύπαρξη χωρικά της σπηλαιογένεσης από θειικό οξύ και της ενδογενούς υπογενούς σπηλαιογένεσης, δείχνοντας ότι πρόκειται για μια περίπτωση πολλαπλών φάσεων σπηλαιογένεσης.Με βάση τον τύπο των σπηλαίων, βρέθηκε μια στενή σχέση τους με γεωθερμικά ρευστά και την ύπαρξη εφελκυστικού γεωδυναμικού καθεστώτος, την κατάρρευση του ορογενούς που συνοδεύεται από εκτατικές κινήσεις και ρήγματα που μπορούν να ευνοήσουν την άνοδο ρευστών. Η διείσδυση μαγματικών σωμάτων, ο σχηματισμός λεκανών και κατά συνέπεια η δημιουργία συνθηκών για γεωθερμικές ανωμαλίες και γεωθερμικά πεδία έχει συμβάλει καθοριστικά στη δημιουργία των υπογενών σπηλαίων.