GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2012 Tom 7 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 SX- 100 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 SiO 2 (tab. 1). Zawartość CaO wynosi od 27,34 do 43,87% wag. Drugim co do ilości składnikiem jest SiO 2, której udział mieści się w przedziale od 11,45 do 26, 95% wag. Zawartość Al 2 O 3 waha się w granicach od 1,78 do 7,52% wag. Poziom stężenia Fe 2 O 3 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 Typ skał i wynik chemiczny Margle Opoki Gezy Min. Max. Średnia Min Max Średnia Min Max Średnia CaO 27,34 43,87 32,64 16,00 30,50 25,14 0,50 19,82 5,85 SiO 2 11,45 26,95 21,14 40,20 66,90 49,23 63,20 93,59 85,25 TiO 2 0,03 0,73 0,16-0,22 0,06 0,025 0,27 0,09 Al 2 O 3 1,78 7,52 4,50 0,72 4,50 3,10 1,05 1,16 1,11 Fe 2 O 3 0,81 9,42 2,77 0,59 1,68 0,90 0,30 0,60 0,37 MgO 0,08 2,76 0,96 0,13 1,99 0,40 0,11 0,86 0,40 MnO 0,02 0,32 0,09 0,004 0,02 0,01 0,002 0,02 0,01 Na 2 O 0,03 0,50 0,25 0,05 0,12 0,07 0,09 1,00 0,50 K 2 O 0,02 0,75 0,20-0,70 0,43 0,08 0,81 0,34 P 2 O 5 0,02 0,16 0,50 0,003 0,09 0,03 0,002 0,07 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] Pb Cr Cd Ni Zn Cu Co As Sr Ba Zr Th U Zawartość Margle minimalna 1,72 0 0 0 4,26 2,8 0 0 203 25 2 0,5 1 maksymalna 8,06 9,30 1,1 3,48 46,29 30 6 2 308 158 36 2 1,9 średnia 4,46 5,13 0,55 2,32 14,45 7,8 3,16 1,33 243,16 65,16 19,66 1,58 1,2 Zawartość Opoki minimalna 2,29 5,36 0 3,25 7,99 1,9 0 0 223 38 8 0,06 0,2 maksymalna 3,3 9,40 1,1 6 9,05 9 2,21 5,1 396 314 81 2,8 2,9 średnia 2,9 6,69 0,4 4,79 8,53 4,39 0,85 0,91 293 153 33 1,56 1,45 Zawartość Gezy minimalna 2,5 0,02 0 2,22 3 1,95 0 1,5 49 120 17,5 0 0 maksymalna 4,3 5,36 0,22 8,12 13,43 22,4 4 4,3 222 190 100 1 1,3 średnia 2,99 3,91 0,055 3,74 5,62 7,48 1 2,2 11,5 151,25 40,37 0,5 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 SiO 2. 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 Fe 2+. Kalcyt zaś o luminescencji żółtej krystalizował w warunkach niedoboru Fe 2+, a przy znacznym udziale Mn 2+. 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, 97-107. 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.