CHARAKTERYTYKA MINERALOGICZNO – GEOCHEMICZNA SKAŁ

advertisement
GÓRNICTWO I GEOLOGIA
Tom 7
2012
zeszyt 2
Agnieszka PĘKALA
Zakład Geotechniki i Hydrotechniki
Politechnika Rzeszowska
CHARAKTERYTYKA MINERALOGICZNO – GEOCHEMICZNA
SKAŁ PRZEJŚCIOWYCH ZE STREFY KONTAKTU MEZOZOIK –
NEOGEN W ZŁOŻU WĘGLA BRUNATNEGO „BEŁCHATÓW”
Streszczenie. Postępująca eksploatacja węgla brunatnego w złożu Bełchatów
doprowadzała do odsłonięcia na kontakcie utworów neogeńskich ze skałami mezozoicznego
podłoża skał o charakterze surowcowym. Przedmiotem prezentowanych badań jest grupa skał
przejściowych tj. opoki, margle i gezy. W pracy przedstawiono charakterystykę
mineralogiczno – geochemiczną tych skał.
MINERALOGICAL-GEOCHEMICAL STUDY OF TRANSITIONAL ROCKS
FROM MESOZOIC - NEOGEN CONTACT ZONE IN THE “BEŁCHATÓW’
LIGNITE DEPOSIT
Summary. Progressive exploitation in the Bełchatów lignite deposit caused to exposure
rocks having raw material character within mesozoic–neogen contact zone. Group of
transitional rocks as opoka, marls and geiza is object of presented investigations. In work was
presented mineralogical - geochemic characteristic study of this rocks.
1. Wprowadzenie
Górnictwo odkrywkowe jest procesem długotrwałym i znacznie ingerującym
w środowisko naturalne. Eksploatacja odkrywkowa napotyka liczne problemy, do których
należy również zagospodarowanie kopalin towarzyszących. Odkrywkowy charakter robót
górniczych doprowadził w ostatnich latach do odsłonięcia w strefie kontaktu mezozoik –
neogen w złożu węgla brunatnego Bełchatów utworów o znaczeniu surowcowym.
Prognozowanie występowania skał o znaczeniu praktycznym wymaga wnikliwych
i
systematycznych
badań
nie
tylko
surowcowych.
Niezbędna
jest
szczegółowa
charakterystyka mineralogiczno – petrograficzna nowo odsłoniętych skał oraz ich badania
geochemiczne. W przypadku skał o charakterze przejściowym podczas obserwacji
makroskopowych często pojawiają się wątpliwości co do charakteru petrograficznego tych
skał. Wykorzystanie zaawansowanych metod mineralogicznych pozwala uniknąć pomyłek
przy ich identyfikacji. Badania geochemicznie i ustalenie zawartości pierwiastków
188
A. Pękala
szkodliwych dla środowiska stanowi bardzo istotny i niezbędny aspekt w zakresie ochrony
środowiska. Wskazuje ewentualny kierunek możliwości praktycznego wykorzystania tych
skał.
2. Materiał i metodyka badań
Strefę kontaktu w złożu węgla brunatnego „Bełchatów” stanowią odsłaniające się pod
neogenem skały mezozoicznego podłoża, reprezentowane przez wapienie, opoki, gezy,
margle, diatomity, krzemienie oraz skały średniookruchowe. Wśród osadów powstałych
w wyniku procesu wietrzenia w omawianej strefie stwierdzono: opoki odwapnione, brekcje
osadowe, iły kaolinowe [1,2,3,4]. Przedmiotem badań w niniejszej pracy jest grupa skał
przejściowych: opoki, gezy i margle [5]. Materiał badawczy pochodził z rdzeni wiertniczych
poprzedzających front eksploatacyjny z pola górniczego „Szczerców”.
Uzupełniono go
o materiał pochodzący z południowego zbocza odkrywki w polu „Bełchatów”. Łącznie
opróbowano 26 otworów wiertniczych (rys. 1) i pobrano 42 próbki, w tym 29 z rdzeni
wiertniczych i 13 ze skarpy.
Zastosowana metodyka badawcza objęła:
- obserwacje mikroskopowe w spolaryzowanym świetle przechodzącym i odbitym przy
zastosowaniu mikroskopu Olimpus BX-51;
- analizę katodoluminescencyjną przy użyciu aparatury firmy Cambridge Image Technology
Ltd, model CCL 8200 mk3 oraz mikroskopu polaryzacyjnego Optiphot 2 firmy Nicon;
- dyfraktometrię rentgenowską przy wykorzystaniu dyfraktometru rentgenowskiego PHILIPS
X”Pert z monochromatyzatorem refleksyjnym, dyfraktogramy interpretowano za pomocą
programu identyfikacyjnego XRAYAN z bazą minerałów ICPDS [6];
- mikroskopię skaningową z zastosowaniem mikroskopu elektronowego (SEM)FEI Quanta
200FEG z mikroanalizatorem rentgenowskim (EDX);
- oznaczenie składu chemicznego przeprowadzone metodą atomowej spektroskopii
absorpcyjnej (ASA) przy wykorzystaniu spektrofotometru PHILIPS PU 9100Xi Camera SX100 oraz atomowej spektroskopii emisyjnej z plazmą wzbudzoną indukcyjnie (ICP AES) przy
użyciu spektrometru PLASMA 40.
Charakterystyka mineralogiczno-geochemiczna…
189
Objaśnienia: ─- granica złoża, G48P - otwór wiertniczy
Rys. 1. Szkic rozmieszczenia opróbowanych otworów wiertniczych w złożu węgla brunatnego
„Bełchatów”
Fig. 1. Draught of layout of sampling in drilling wells in the Bełchatów lignite deposit
3. Wyniki badań mineralogicznych
3.1. Węglanowe utwory przejściowe
Grupę skał przejściowych o charakterze węglanowym w strefie kontaktu osadów
neogeńskich ze skałami mezozoicznego podłoża reprezentują margle górnokredowe. Są one
skałami o strukturze organogenicznej. Ich tekstura jest zbita, niekiedy kierunkowa. Tło ma
charakter węglanowo-ilasty. Budujący go kalcyt ma charakter mikrokrystaliczny.
Skały te budują liczne bioklasty oraz ziarna materiału terygenicznego (rys.2a). Większość
z nich jest silnie pokruszona. Tylko nieliczne, jak np. skorupki otwornic, pozostały
nienaruszone. Wśród węglanowych szczątków organicznych można ponadto wyróżnić
skorupki mięczaków oraz fragmenty szkarłupni. Ich rozmiary dochodzą nawet do kilkunastu
milimetrów. Nieco rzadziej spotyka się dobrze zachowane szczątki organiczne zbudowane
z krzemionki. Są to głównie igły gąbek, radiolarie, kolce jeżowców. Badania
z zastosowaniem mikroskopu skaningowego ujawniły ponadto obecność okrzemek. Niektóre
z bioklastów typu węglanowego są impregnowane słabo prześwięcającą na brunatno
substancją. W składzie chemicznym (EDX) tego typu bioklastów udokumentowano obecność
tlenków i wodorotlenków żelaza.
Badania katodoluminescencyjne wykazały zróżnicowanie barwy kalcytu. Tło skalne jest
zbudowane z kalcytu o luminescencji barwy czerwonej. Kalcyt budujący bioklasty wykazuje
190
A. Pękala
luminescencję
barwy
żółtej
(rys.
2b).
Badania
z
zastosowaniem
mikroskopu
kadoluminescencyjnego wykazały ponadto relikty skaleni o niebieskiej luminescencji,
nieluminescencyjne agregaty glaukonitu oraz fragmenty krzemionkowych szczątków
organicznych o luminescencji fioletowo-niebieskiej (rys. 2b).
Materiał terygeniczny tego typu skał reprezentują psamitowe ziarna kwarcu o różnym
stopniu obtoczenia. Ponadto tworzą go kuliste agregaty glaukonitu, pojedyncze blaszki
biotytu i muskowitu.
Identyfikacja
faz
metodą
dyfrakcji
rentgenowskiej
wykazała,
że
krzemionka
w badanych utworach występuje w formie opalu CT i kwarcu. Na dyfraktogramach
zarejestrowano również refleksy pochodzące od kalcytu, minerałów ilastych oraz muskowitu
(rys. 3).
Rys. 2 a. Światło przechodzące, Xp
Rys. 2 b. Obraz w CL
Rys. 2a,b. Węglanowe i krzemionkowe bioklasty w mikrokrystalicznym tle margla. Relikty skaleni
o niebieskiej luminescencji i nieluminescencyjny glaukonit
Fig. 2a,b. Calcareous and silicaeous bioclasts in microcrystalline marly background. Relicts
of feldspars with blue luminescence as well as glauconite with non luminescence
Charakterystyka mineralogiczno-geochemiczna…
191
Rys. 3. Dyfraktogram skały marglistej ze strefy kontaktu mezozoik - neogen w złożu „Bełchatów”
(próbka Pr 14)
Objaśnienia: C – kalcyt, Op (CT) – opal krystobalitowo - trydymitowy, Q – kwarc, Sm –
minerały z grupy smektytu, M – muskowit
Fig. 3. X-ray pattern of marly rock from Neogen – Mesozoic contact zone in the Bełchatów lignite
deposit (sample no. 14)
Commentary: C- calcite, Op (CT) – opal, Q – quartz, Sm- minerals from smectite group, M –
muscovite
3.2. Krzemionkowe utwory przejściowe
Grupę krzemionkowych skał przejściowych w strefie kontaktu mezozoik- neogen
w złożu „Bełchatów” reprezentują opoki i gezy bezwapniowe.
Opoki
Obecność opok jest pospolita w seriach morskich wieku mezozoicznego, zwłaszcza
górnokredowego. Występowanie ich w niecce łódzkiej obejmuje profil litostratygraficzny od
turonu do mastrychtu [7]. W złożu węgla brunatnego „Bełchatów” są spotykane na kontakcie
mezozoicznego podłoża z osadami trzeciorzędowymi w kompleksach węglanowym oraz
klastyczno – węglanowym [1]. Okruchy tych skał występują również w dolnej części osadów
trzeciorzędowych wśród utworów detrytycznych, tworzących olistolity [8]. Występują one
w formie przewarstwień z marglami i wapieniami.
Opoki ze strefy kontaktu mezozoik-neogen w złożu węgla brunatnego „Bełchatów” są
skałami o strukturze mikrytowo-organogenicznej bądź mikrytowo-detrytycznej. Ich tekstura
jest zbita, z reguły bezładna, jedynie miejscami równoległa. Tło skalne opok tworzy przede
192
A. Pękala
wszystkim substancja węglanowa, wykształcona w postaci mikrytu oraz opalu. W tle skalnym
wśród materiału detrytycznego, obok bioklastów, stwierdzono obecność ziarn kwarcu
o różnym stopniu obtoczenia. Sporadycznie napotykano relikty hydromuskowitu i skupienia
glaukonitu. Zauważono też skupienia niewielkich kryształów pirytu o idiomorficznych
zarysach oraz obecność pojedynczych ziarn minerałów ciężkich, głównie cyrkonu [2, 3].
Część tego typu skał wykazywała cechy charakterystyczne dla opok objętych procesem
sylifikacji. Efekty tego procesu powodują wzrost twardości i zwięzłości skały [9]. Sylifikacja
dość wyraźnie zaznacza się w obrazie mikroskopowym. Krzemionka zastępująca węglany
w opokach sylifikowanych jest reprezentowana przez chalcedon oraz opal typu CT. Jest ona
wykształcona w postaci krótkich włókien, tworzących skupienia w układzie promienisto –
dośrodkowym, pozorujące drobnoziarnistą mozaikę, natomiast ziarna kwarcu są spotykane
bardzo sporadycznie [3, 9].
3.3. Gezy bezwapniowe
Gezy bezwapniowe makroskopowo przypominają piaskowce lub mułowce. Towarzyszą
one przeważnie opokom. Tekstura tych skał jest bezładna, lekko porowata, a struktura
organodetrytyczna.
Cement
skalny
stanowi
skrytokrystaliczna,
a
miejscami
kryptokrystaliczna krzemionka, a także minerały ilaste. Częściowo bywa on lekko
pigmentowany na brunatno substancją organiczną. Materiał detrytyczny jest reprezentowany
przez krzemionkowe organiczne elementy szkieletowe, głównie igły gąbek, skorupki
radiolarii lub okrzemek. Budująca je krzemionka przyjmuje głównie charakter chalcedonowy.
Chalcedon tworzy ponadto wtórne wypełnienia porów skalnych. W tego typu wystąpieniach
włókna
chalcedonu
są
ułożone
w
sposób
współśrodkowo-promienisty,
tworząc
charakterystyczne formy „rozetkowe” [3]. W obrębie materiału detrytycznego występują też
blaszki muskowitu i hydromuskowitu, częściowo schlorytyzowanego biotytu oraz ziarna
kwarcu.
4. Skład chemiczny
W omawianych skałach przejściowych ze strefy kontaktu mezozoik-neogen w złożu
„Bełchatów” ustalono skład chemiczny (pierwiastki główne) oraz oznaczono zawartości
niektórych pierwiastków śladowych: Pb, Cr, Cd, Ni, Zn, Cu, Co, As, Sr, Ba, Zr. Spośród
pierwiastków promieniotwórczych analizowano zawartość Th i U. W tabelach 1 i 2
Charakterystyka mineralogiczno-geochemiczna…
193
przedstawiono analizy chemiczne wykonane dla 18 próbek badanych skał oraz zestawiano
wartości maksymalne, minimalne i średnie pierwiastków toksycznych.
Analizy chemiczne dla margli wykazały, że w ich składzie chemicznym dominują CaO
oraz SiO2 (tab. 1). Zawartość CaO wynosi od 27,34 do 43,87% wag. Drugim co do ilości
składnikiem jest SiO2, której udział mieści się w przedziale od 11,45 do 26, 95% wag.
Zawartość Al2O3 waha się w granicach od 1,78 do 7,52% wag. Poziom stężenia Fe2O3
kształtuje się w przedziale od 0,81 do 9,42% wag.
Analizy chemiczne (tab. 1) opok potwierdziły, że ich dominującym składnikiem
chemicznym jest krzemionka. Jej zawartość zawiera się w przedziale od 40,20 do 66,90%
wag. i wynosi średnio 49,23% wag. Udział CaO waha się w przedziale od 16,00 do 30,50%
wag. przy średnim udziale 25,14% wag.[9].
Wykonane badania chemiczne w przypadku gez wykazały, że są one zbudowane głównie
z krzemionki która stanowi ponad 93% wag. składu ilościowego. Zawartość CaO waha się od
0,50 do 19,82% wag. przy średnim udziale 5,85% wag. (tab. 1).
Uzyskane wyniki badań pierwiastków śladowych w skałach przejściowych ze strefy
kontaktu mezozoik – neogen w złożu węgla brunatnego „Bełchatów” zostały porównane
z danymi zawartymi w „Atlasie geochemicznym Polski” [10]. Interpolacja danych z Atlasu na
terenie opisywanym może wskazywać, że koncentracja badanych pierwiastków mieści się
odpowiednio w zakresach (w ppm): Pb 50-100, Cr 5-10, Cd 2-4, Ni 10 – 20, Zn 200-400, Cu
40 – 80, Co 2,5-5, As 10-20, Sr 40-80, Ba 100 – 200, Th 2-4, U 1-2. Na podstawie tych
danych można stwierdzić, że z uzyskanych wyników koncentracji poszczególnych
pierwiastków śladowych na uwagę zasługuje zawartość strontu (tab. 2). Ilość strontu
w badanych skałach maksymalnie osiąga wartość w marglach – 308 ppm, opokach – 396
ppm, gezach 222 ppm. Taka zawartość strontu jest najprawdopodobniej wynikiem
stosunkowo łatwego sorbowania tego pierwiastka przez skalenie, minerały ilaste oraz
organizmy
tworzące
szkielety
węglanowe
[11].
Udział
pozostałych
oznaczonych
pierwiastków śladowych w żadnym przypadku nie przekracza wartości podawanych
w Atlasie dla obszaru objętego badaniami.
194
A. Pękala
Tabela 1
Skład chemiczny grupy skał przejściowych pochodzących ze strefy kontaktu mezozoik neogen w złożu węgla brunatnego „Bełchatów” [% wag]
Skład
chemiczny
CaO
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
MnO
Na2O
K2O
P2O5
Margle
Max.
43,87
26,95
0,73
7,52
9,42
2,76
0,32
0,50
0,75
0,16
Min.
27,34
11,45
0,03
1,78
0,81
0,08
0,02
0,03
0,02
0,02
Typ skał i wynik
Opoki
Średnia Min
Max
Średnia
32,64
16,00 30,50 25,14
21,14
40,20 66,90 49,23
0,16
0,22
0,06
4,50
0,72
4,50
3,10
2,77
0,59
1,68
0,90
0,96
0,13
1,99
0,40
0,09
0,004 0,02
0,01
0,25
0,05
0,12
0,07
0,20
0,70
0,43
0,50
0,003 0,09
0,03
Min
0,50
63,20
0,025
1,05
0,30
0,11
0,002
0,09
0,08
0,002
Gezy
Max
19,82
93,59
0,27
1,16
0,60
0,86
0,02
1,00
0,81
0,07
Średnia
5,85
85,25
0,09
1,11
0,37
0,40
0,01
0,50
0,34
0,03
Tabela 2
Zawartości minimalne, maksymalne i średnie pierwiastków śladowych w skałach
przejściowych ze strefy kontaktu mezozoik – neogen w złożu węgla brunatnego „Bełchatów”
[ppm]
Zawartość
minimalna
maksymalna
średnia
Zawartość
minimalna
maksymalna
średnia
Zawartość
minimalna
maksymalna
średnia
Pb
Cr
Cd
Ni
Zn
Cu
1,72
0
0
0
4,26
2,8
8,06
4,46
9,30
5,13
1,1
0,55
3,48
2,32
46,29
14,45
30
7,8
2,29
3,3
2,9
5,36
9,40
6,69
0
1,1
0,4
3,25
6
4,79
7,99
9,05
8,53
1,9
9
4,39
2,5
4,3
2,99
0,02
5,36
3,91
0
0,22
0,055
2,22
8,12
3,74
3
13,43
5,62
1,95
22,4
7,48
Co
As
Margle
0
0
6
2
3,16 1,33
Opoki
0
0
2,21 5,1
0,85 0,91
Gezy
0
1,5
4
4,3
1
2,2
Sr
Ba
Zr
Th
U
203
25
2
0,5
1
308
243,16
158
65,16
36
19,66
2
1,58
1,9
1,2
223
396
293
38
314
153
8
81
33
0,06
2,8
1,56
0,2
2,9
1,45
49
222
11,5
120
190
151,25
17,5
100
40,37
0
1
0,5
0
1,3
0,7
5. Podsumowanie
1. Strefę kontaktu w złożu węgla brunatnego „Bełchatów” stanowią skały mezozoicznego
podłoża, reprezentowane przez wapienie, opoki, gezy, margle, diatomity, krzemienie oraz
skały średniookruchowe. Wśród osadów powstałych w wyniku procesu wietrzenia
stwierdzono: opoki odwapnione, brekcje osadowe, iły kaolinowe [1,2,3,4].
Charakterystyka mineralogiczno-geochemiczna…
195
2. Badania mineralogiczno-geochemiczne skał przejściowych ze strefy kontaktu podłoża
mezozoicznego z osadami neogeńskimi w złożu węgla brunatnego „Bełchatów”
wykazały, że głównym składnikiem omawianej grupy skał jest SiO2. oraz CaO.
3. Krzemionka w utworach przejściowych występuje w formie opalu typu A i CT,
chalcedonu, kwarcu i mikrokwarcu. Węglan wapnia natomiast wykazuje zróżnicowanie
genetyczne. Kalcyt o luminescencji czerwonej i żółtej powstał w efekcie wtórnych
procesów mineralizacyjnych. Kalcyt o luminescencji czerwonej podlegał oddziaływaniu
roztworów diagenetycznych bogatych w Fe2+. Kalcyt zaś o luminescencji żółtej
krystalizował w warunkach niedoboru Fe2+ , a przy znacznym udziale Mn2+.
4. Stwierdzona w badaniach geochemicznych podwyższona zawartość strontu może być
związana z procesami wietrzeniowymi, jakim podlegały skały w badanej strefie.
W procesach wietrzenia stront przechodzi do roztworu na ogół w postaci dwuwęglanu.
Podlega on łatwej sorpcji przez minerały ilaste oraz organizmy tworzące szkielety
wapienne. Dlatego też jego zawartość wzrasta w iłowcach (300 – 450 ppm) i utworach
węglanowych (450 – 600 ppm). W piaskowcach wynosi 20 – 140 ppm [10].
5. Za zróżnicowanie składu mineralnego w badanych skałach odpowiedzialne są wtórne
procesy mineralizacyjne, którymi objęta była badana strefa. Przeprowadzone badania
wskazują, że margle, gezy, a przede wszystkim opoki uległy procesowi sylifikacji [2, 9].
BIBLIOGRAFIA
1. Ratajczak T., Szewczyk E., Muszyński M., Wyszomirski P.: Wstępne wyniki badań
utworów krzemionkowych ze strefy kontaktowej trzeciorzęd – mezozoik w złożu węgla
brunatnego w Bełchatowie, Górnictwo Odkrywkowe, 2001, 39 (1-2), 89-95.
2. Gilarska A.: Iron sulphide mineralization in carbonate rocks and sandstones from tertiary –
mesozoic contact zone of the Bełchatow deposits (Szczercow field). Polskie Towarzystwo
Mineralogiczne - Prace Specjalne, 2004, Zeszyt 24, 171-174.
3.
Gilarska
A.,
Stachura
E.:
Charakterystyka
mineralogiczno-petrograficzna
skał
krzemionkowych ze strefy kontaktu trzeciorzęd-mezozoik w złożu węgla brunatnego
„Bełchatów”, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Górnictwo, z. 269, 2005, 97107.
4. Stachura E., Gilarska A.: Charakter mineralogiczno – petrograficzny a własności
surowcowe skał krzemionkowych ze strefy kontaktu trzeciorzęd – mezozoik w Złożu
196
A. Pękala
Węgla Brunatnego „Bełchatów”, XXIX Sympozjum Geologia Formacji Węglonośnych
Polski, Kraków 2006, 123-127.
5. Praca zbiorowa po redakcją Maneckiego A., Muszyńskiego A.: Przewodnik do petrografii,
UWND AGH, 2008.
6. Diduszko R., Marciniak H.: XRAYAN – program do rentgenowskiej analizy fazowej.
Warszawa 1995.
7. Błaszkiewicz A. i in.: Zarys tektoniki i stratygrafii południowej części niecki łódzkiej.
Kwartalnik Geologiczny 12, zeszyt 2, 1968, 279-295.
8. Biernat S.: Problemy tektoniki i morfologii mezozoiku w kompleksowym opracowaniu
geologicznym Bełchatowskiego Okręgu Przemysłowego. Kwartalnik Geologiczny, T. 11, nr
4, 1967.
9. Pękala A., Hycnar E.: Opoka ze złoża węgla brunatnego „Bełchatów” a możliwości jej
praktycznego wykorzystania. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 276.
Budownictwo i Inżynieria Środowiska 2011, z. 58 (2/11), 57-65.
10. Lis J., Pasieczna A.: Atlas geochemiczny Polski 1: 2 500 000, Państwowy Instytut
Geologiczny, Warszawa 1995.
11. Kabata – Pendias A., Pendias H.: Biogeochemia pierwiastków śladowych, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1999.
Abstract
Mineralogical – geochemical studies of transitional rocks from mesozoic - neogen contact
zone in the Bełchatow lignite deposit showed that occurring silica is main component of
analysed group of rocks in form opal A i CT, chalcedony, quartz and micro-quartz. Affirmed
however calcium carbonate shows genetic differentiation. Calcite with red and yellow
luminescence was formed probably in effect of secondary mineralization processes. Calcite
with red luminescence was under influence iron rich diagenetic solutions. Secondary
mineralization processes are responsible for differentiation of mineral compostion in studied
rocks within all studied zone. Made investigations show, that marls, geiza and first of all
opokas uderwent silicaeous processes.
Download