Наукові праці ДонНТУ:Серія гірничо-геологічна.Випуск 32/Редкол.:Башова Є.О.(голова) та інш.-Донецьк,ДонНТУ,2001.-190с.
УДК 548.3+622.693
ПАНОВ Б.С., ПРОСКУРНЯ Ю.А. (ДонНТУ)
НОВЫЕ МИНЕРАЛЫ ДОНБАССА
Приведены данные о новых, открытых в последние годы минералах Донбас¬са — цинките, алюмините, тамаругите, летовиците и др. Описаны изученные впер¬вые техногенные минералы, образующиеся в настоящее время на горящих террико¬нах угольных шахт Донбасса (пиккерингит, халъкантит, алуноген, реальгар, черми-гит, летовицит, тамаругит, аммонистая селитра), которые пополняют список из¬вестных минералов региона (более 230), приведены параметры кристаллических решеток, особенности их парагенезиса и генезиса, зональность отложений. Донецкий бассейн, расположенный на юге Восточно-Европейской платфор¬мы, занимает площадь более 60 тыс. км2, вытянутую субширотно на 650 км при ши¬рине 100-150 км и является крупной геологической структурой — частью глобаль¬ного пояса глубинных дислокаций и геодинамической активности земной коры — линеамента Карпинского. Мощность осадочных образований в Донбассе составляет 20-24 км, главная часть которых относится к каменноугольной системе. Осадочные образования палеозойского возраста представлены вулканогенно-осадочными отло¬жениями девонской, терригенно-осадочными породами каменноугольной (песчани¬ки, известняки, алевролиты, аргиллиты, угольные пласты) и пермской сиеiсм. Поро¬ды мезозоя — отложениями триаса, юры и мела (песчаники, аргиллиты, алевролиты, глины, известняки). Отложения кайнозойской системы содержат породы палеогено¬вого (пески, алевролити, песчаники, глины, мергели), неогенового (пески, глины) и четвертичного (суглинки, пески, глины) возраста. В состав угля и вмещающих угольные пласты пород входит большое количество неорганических компонентов в ви¬де глинистых минералов (до 50% всех минеральных примесей), сульфидов железа- пирита и марказита (до 5%), а также доломита, сидерита, кальцита, кварца, слюд, хлоритов, фосфатов. Акцессорные минералы представлены рутилом, апаш том, тур¬малином, гранатом и др. (до 35 минеральных видов). На территории Донбасса рас¬пространены каменные угли всех основных марок (от длиннопламенных до тощих) и антрациты. Преобладают в Донбассе угли с высокой и средней зольностью (Аdt=12 18%). Содержание серы в среднекарбоновых углях от 1,5% (малосернистые) до 3,5% и более (высокосернистые). Характерной особенностью углей является повышенное содержание ртути (01-0,2 мг/кг и более) и мышьяка (1-100 мг/кг и более), что объ¬ясняется условиями угленакопления, происходившего на фоне дегазации мантии по зонам глубиных разломов. Помимо угля в Донбассе открыты месторождения неметаллических полезных ископаемых (каменная соль, доломит, мел, мергель, огнеупорная глина, мраморизованные известняки и др.), а также залежи сурьмы, ртути, свинца, цинка, меди, золо¬та, руд железа и редких металлов. Добыча и практическое использование минераль¬ных богатств превратили Донбасс в важнейший горнопромышленный регион Ук¬раины и России. За 200 лет промышленного освоения в Донбассе было открыто и описано большое количество минеральных видов — простых соединений, сульфи¬дов, оксидов, силикатов, фосфатов, солей органических кислот, нитратов и др., спи¬сок которых постоянно растет и пополняется новыми минеральными видами [1]. Ра¬ботами кафедры полезных ископаемых и экологической геологии ДонНТУ совмест¬но с другими геологическими организациями Донбасса, были открыты новые приминения и месторождения самородного золота (Бобриковский участок Нагольного Кряжа, Ольховатское проявление), самородный алюминий, обнаруженный при изу¬чении руд Никитовского ртутно-рудного поля, золото и серебро в киноваре Ники-товского поля, ортит в Приазовье и др. В последние 15-20 лет были найдены новые для Донбасса минералы — цинкит, прустит, тетраэдрит с повышенным содержанием серебра, обнаруженные А.Ф.Горовым в породах террикона «Красный партизан», алюминит — найденный в зоне сочленения Донбасса и Приазовья, ставролит и др. Таким образом, в настоящее время в Донбассе известно более 230 минеральных ви¬дов. Большое количество новых для Донбасса минералов было открыто в послед¬ние годы при изучении горящих терриконов угольных шахт. На территории Донбас¬са находится 1257 терриконов общим объемом 1056519,9 тыс. м , которые занимают площадь 5526,3 га. Под действием геологических и биохимических агентов углесодержащая масса пород терриконов нередко окисляется, разогревается и самовозгора¬ется. На горящих терриконах в настоящее время происходят уникальные процессы современного минералообразования, представляющие собой новый вид геологиче¬ских процессов литосферы, вызванных производственной деятельностью человека. Минералы, возникшие в зонах техногенеза, издавна являются объектами ис¬следований. Минералогические справочники, монографии, учебники и журналы публикуют сведения о минералах, возникших на отвалах рудников и шахт, на стен¬ках подземных и открытых выработок, в трубопроводах, в складах руд и концентра¬тов, при изменении древних и современных металлических предметов. Много суль¬фатов, карбонатов, арсенатов, хлоридов и других минералов было впервые найдено в этих условиях. В последние десятилетия работы по изучению техногенной минерализации шахтных терриконов получили широкое развитие во многих странах мира. Выделя¬ются исследования, проведенные на горящих отвалах Пенсильвании (США), Остравско-Карвинского угольного бассейна (Чехия), Франции, Индии, Силезии, а также на Урале, в Челябинском бассейне (Россия), где было установлено свыше 150 техно¬генных минералов. Большая часть этих минералов образовалась в результате возгон¬ки из газов, сформировавшихся в результате горения внутренней части террикона [6-10]. Этот процесс сходен с процессами формирования минералов в результате вулканической деятельности. Многие техногенные минералы имеют свои природные аналоги на вулкане Везувии (Италия), в долине 10 тысяч дымов (Аляска), гейзерах Калифорнии, действующих вулканах Центральной Америки и других. Исследования горящих породных отвалов и образовавшихся на них техноген¬ных минералов на территории Украины были начаты в Донбассе Е.К.Лазаренко, Б.С.Пановым и др., а затем распространились и на другие регионы страны. В 1970 г. впервые на Украине в Донецком бассейне Б.С.Пановым на терриконе шахты 7/8 им. Калинина был обнаружен минерал нашатырь, образовавшийся в результате псевдо-фумарольной деятельности, позже его находки были сделаны на шахте «Красный пар¬тизан» и «Центросоюз» (Луганская область), где также были установлены сера, со-мольнокит, эпсомит. масканьит, Na и К квасцы. В результате этих работ был впервые предложен механизм образования нашатыря, изучены его кристалломорфологические особенности [3J. Исследования техногенных минералов на терриконах угольных шахт Львовско-Волынского буроуголыюго бассейна были проведены Б.И.Сребродольским [5]. Здесь, на горящих терриконах шахт «Великомостовская 2». «Червопоградская 1», «Великомостовская 3» и других в окреспостях г.Червопограла им были найдены и описаны следующие техногенные минералы: сера, нашатырь, масканьит, сомольно-кит, галотрихит, лаузенит, калиевые и натриевые квасцы, алунит, эпсомит, гипс, ге¬матит, ацетамид, миллозевичит, кварцин, одноводный сульфат Аl и Fe — (А1, Fe)2[SO4]3 Н2O, в зоне выветривания угленосных пиритсодержащих пород установ¬лен водный сульфат Аl, окисного и закисного Fe — (Mg, Fe)(Fe, Al)2[SO4]4)*18H2O. Такие минералы, как миллозевичит, ацетамид, лаузенит, водный железисто-алюминистый сульфат являются очень редкими минералами и на терриконах Украи¬ны больше нигде не установлены. В последние десятилетия детальные исследования неоминерализации горя¬щих терриконов были проведены и в Донбассе. Нами были отобраны и исследованы с помощью современных методов анализа (рентгеноструктурный анализ (рентгенов¬ский дифрактометр ДРОН-2 — СuКa-излучение), сканирующее электронное микро¬зондирование (электронный микроскоп-микроанализатор JSM-T300)) около 80 проб техногенных минералов. Анализы проводились в лабораториях Института геохимии, минералогии и рудообразования НАН Украины (г.Киев, завлабораторией Мельни¬ков B.C., аналитик Гречановская Е.Е.) и в лаборатории Донецкого научно-исследовательского института черных металлов (г.Донецк, аналитик Бурховецкий В.В.). В результате проведения данных исследований было выявлено 22 техноген¬ных минерала: сера — S, нашатырь — NH4CI, реальгар — AsS, гематит — Fe2О3, масканьит — (NH4)2[SО4], галотрихит — FeAl2[SO4]4*22H2O, пиккерингит — MgAl2[SO4]4*22H2O, тамаругит — NaAl[S04]2*6H2O, алуноген — A12[S04]3*17H2O, эпсомит — MgS04*7H2O, гексагидрит — MgSO4*6H2O, мелантерит — FeS04*7H2O, халькантит — CuSO4*5H2O, летовицит — (NH4)3H(SO4)2, сомольнокит — FeSO4*H2O, ангидрит — CaSO4, гипс — CaSO4*2H2O, чермигит — NH4Al[SO4]*12H2O, калиевые квасцы — KAI[SO4]212H2O, натриевые квасцы — NaAl[S04]2*12H2O, селитра аммо¬ниевая — NH4[NO3], муллит — Al6Si2On [4]. Такие минералы, как пиккерингит, алу¬ноген, реальгар, халькантит, муллит, чермигит, аммонистая селитра ранее в Донбас¬се установлены не были, что значительно пополняет список новых минералов регио¬на. Тамаругит (установленный лишь на отвалах Остравско-Карвинского угольного бассейна Чехии) и летовицит (найденный во Франции и на отвалах угольною бас¬сейна Кладно — Чехия) в бывшем СССР диагностированы и изучены впервые [4J. Тамаругит встречен на терриконе шахты 1-7 «Ветка», где образует белые, светло-желтые корочки толщиной до 1 см. Кристаллы пластинчатого, таблитчатого облика, часто образуют параллельные сростки размерами до 20 мкм с развитыми гранями пинакоидов. Основные линии на рентгенограмме: 4,18(100)-4.20(80)-3,95(50)-3,65(60), параметры элементарной ячейки: аo=7,353А°, bo=25.225 А°, со=6,097А°, ?=95°12'. Встречается совместно с пиккерингитом и алуногеном. Пиккерингит установлен на терриконах шахт 1-7 «Ветка», «Глубокая», им. Газе¬ты «Правда» и др., где образует корочки и налеты толщиной до 2-3 см, состоящие из спутанноволокнистых, игольчатых и призматических агрегатов. Цвет минерала — свет¬ло-серый, зеленовато-серый, желтовато-серый, белый. Кристаллы пиккерингита — изометричного, таблитчатого облику, иногда в виде деформированных ромбододекаэдров. Часто кристаллы срастаются гранями призм, образуя своеобразные неправильные сро¬стки. Главные линии на рентгенограмме: 6,73(30)-4,78(100)-4,36(30)-3.75(60)-3.49(95). Параметры кристаллической решетки: аo=20,8А°, bo=24,2А°, сo=6,18Аo. Встречаемся в парагенезисе с тамаругитом, галотрихитом, мелантеритом и алуногеном. Галотрихит образует изоморфный ряд с пиккерингитом и встречался в виде корочек, налетов, натечных почковидных или игольчатых образований тонковолокнистого строения. Кристаллики галотрихита собраны перимущественно в маломощ¬ные прожилки, которые сложены обычно параллельноволокнистыми агрегатами. Цвет агрегатов галотрихита от белого до желтоватого и желто-зеленого. Основные линии на рентгенограмме: 9,7(60)-4,85(100)-3,49(70)-3,03(60)-2,857(60), параметры элементарной ячейки: аo=20,8-20,5А°, bo=24,2-24,3А°, сo=6,18А°, ?=96o34?-100o06?. Встречается в парагенезисе с пиккерингитом и алуногеном. Халькантит выявлен на терриконах ш/у им. газеты «Правда». Представлен в виде порошковатых налетов, корочек и землистых агрегатов с радиальноволокнистым строением светло-голубого, зеленовато-голубого, синего цвета. Встречаются кристаллы короткопризматического, пластинчатого и таблитчатого облика. Главные линии на рентгенограммах халькантита: 5,45(8) — 4,70(10) — 3,97(9) — 3,69(9) — 3,29(7), параметры элементарной ячейки: аo=6,12А°, bо=10,69А°, сo=5,96А°, ?=97°35', ?=107°10', ?=77°33'. Образуется вместе с мелантеритом при окислении медьсодер¬жащих сульфидов. Летовицит — образует не очень плотные корочки толщиной 2-3 мм грязно-белого цвета, иногда с желтоватыми или розоватыми оттенками. Облик кристаллов таблитчатый или пластинчатый. Основные линии на рентгенограмме: 4,966(28)-3,774(100)-3,388(42)-2,933(20). Встречается в парагенезисе с масканьитом, нашаты¬рем, чермигитом. Аммонистая селитра установлена только в Донбассе в продуктах горения тер¬рикона шахты «Красный партизан». Образует тонкозернистые рыхлые скопления белого цвета вместе с нашатырем и масканьитом. Основные линии на рентгенограм¬ме аммонистой селитры: 4,91(50)-3.09(100)-2,67(80)-2,25(80), параметры элемен¬тарной ячейки — аo=5,76А°, сo=16А°. Реальгар представлен красновато-оранжевыми землистыми и коркообразными натетыми, обладающими резким запахом. Кристаллы реальгара короткостолбчатого, призматического облика, укорочены или вытянуты по вертикальной оси. Параметры элементарной ячейки: аo=9,29А°, bo=13,53А°, сo=6,57А°, ?=106°33 Считается типич¬ным минералом вулканических возгонов, но наши исследования показывают, что он также может иметь и другое происхождение, будучи продуктом псевдофумарольной деятельности горящих угольных отвалов. Встречается в парагенезисе с серой и на¬шатырем. Алуноген образует налеты, тонкие скорлупоподобные или хлопьевидные кор¬ки, мелкочешуйчатые агрегаты белого, светло-серого, зеленовато-желтого цвета вблизи очагов горения пород. Если алуноген насыщен сернистым ангидритом, то на открытом воздухе он быстро превращается в полужидкую сернокислотную пасту, что наблюдалось на терриконе шахты 1-7 «Ветка». Основные линии на рентгено¬грамме алуногена: 9,21(70)-4,49(100)-3,95(70)-3,66(40), параметры элементарной ячейки: а=89°58', ?=97°26', ?=91°52'. Встречается в парагенезисе с чермигитом, тамаругитом, пиккерингитом, галлотрихитом. Чермигит образует столбчатые и волокнистые кристаллы размером 1-2 мм в длину и 0,1-0,2 мм в ширину, которые собраны в натечные корки, небольшие ста¬лактиты, пушистые налеты, которые покрывают поверхность отвалов. Минерал бес¬цветный или сероватый. Параметры элементарной ячейки — а=12,23А°. Встречается в парагенезисе с алуногеном, пиккерингитом, галотрихитом, сомольнокитом. Муллит найден в Донбассе в виде единичных зерен в продуктах горения тер¬риконов угольных шахт. Облик индивидов шестоватый, призматический, игольча¬тый, образует бледно-желтые кристаллы длиною до 2 мм, которые иногда собранны в радиальные пучки. Параметры элементарной ячейки: аo=7,55А°, bo=7,68А°, сo=2,88А°. Встречается в ассоциации с гематитом. В результате проведенных исследований было установлено, что минералы обра¬зуются в различных температурных диапазонах (20-1000°С), при различных значениях кислотности среды, их образование зависит от состава исходящих газов и химического состава вмещающих пород. Часть минералов образуется в результате сублимации из газов (температура образования минералов этой группы — 90-300°С) — нашатырь, се¬ра, реальгар, масканьит, аммонистая селитра, летовицит; другая, наиболее многочис¬ленная группа минералов — в результате гипергенного изменения пород под воздейст¬вием серной кислоты (t=20-90°С) — пиккерингит, алуноген, квасцы, гипс и другие сульфаты. В результате высокотемпературного изменения пород (t=450-1000°С) обра¬зуются гематит, муллит, кристобаллит, шпинель и другие минералы [4]. По температуре образования и комплексу минеральных видов нами выделено несколько зон минералообразования. Серно-нашатырная зона характеризуется высо¬кими температурами минералообразования и небольшим набором минералов — про¬дуктов возгона: серой, нашатырем, масканьитом, иногда аммонистой селитрой и реальгаром (до 300°С). По мере уменьшения температуры газы изменяют свой со¬став. В них увеличивается количество менее подвижных и тяжелых углеводородов, сернистых конденсатов и продуктов взаимодействия последних с вмещающими по¬родами. Сульфатно-нашатырная зона характеризуется повышенной температурой газовых струй (90-150°С). Образуются нашатырь, летовицит, аммонистая селитра. Затем идет сульфатно-сернокислотная зона (60-90°С) — происходит интенсивное образование серной кислоты и ее взаимодействие с вмещающими породами, которое заканчивается формированием ангидрита, алуногена, пиккерингита, тамаругита, ме-лантерита и других сульфатов. Квасцовая зона объединяет небольшие группы низко¬температурных (40-60°С) источников. В этой зоне образуются гипс, чермигит, ка¬лиевые и натриевые квасцы. Таким образом, в краевых зонах минератообразование происходит в результате процессов замещения, а в центральной части — в результа¬те прямого возгона [2, 5]. Кроме этого, комплексы минеральных образований во многом зависят от теп¬лового состояния отвала. Как показывают наши наблюдения, на действующих отва¬лах, характеризующихся в настоящее время интенсивными процессами горения и псевдофумарольной деятельностью, образуются, в основном, такие минералы как сера, нашатырь, частично масканьит. На недействующих терриконах или отдельных, практически прогоревших их частях, где не наблюдаются поверхностные очаги го¬рения, происходит образование минералов, связанное с воздействием на породы терриконов серной кислоты. Комплекс образующихся в этих условиях минералов другой — это пиккерингит, тамаругит, алуноген, квасцы, мелантерит и другие вод¬ные сульфаты. Комплекс техногенных минералов на одном и том же терриконе со временем существенно меняется. Нами такое изменение было прослежено на примере отвала шахты им. газеты «Правда». В 1997 году исследования данного отвала показали на¬личие на его поверхности многочисленных очагов горения с выделяющимися из них газами. Трещины и отверстия с выделяющимися псевдофумаролами были заполне¬ны плотными корочками, щетками и друзами нашатыря толщиной в несколько сан¬тиметров. Кристаллы нашатыря — крупные (до 1 см), правильной формы, белого цвета. На небольшой глубине встречены корочки серы ярко-желтого цвета. За по¬следующий год на поверхности отвала произошли существенные изменения. Нашатырь был растворен и вымыт атмосферными осадками и на поверхности отвала обнаружен не был. Очагов горения на поверхности также не наблюдалось, хотя породы были теплыми, что, вероятно, свидетельствует о смещении горения вглубь отвала. На склонах отвалов и на месте бывших очагов наблюдались тонкие корочки масканьита и летовицита, что свидетельствует о смене газового состава фумарол. Кроме масканьита наблюдались рыхлые скопления пиккерингита, что говорит о проходя¬щих здесь процессах сернокислотного разложения пород. Таким образом, проведенные исследования показали, что в настоящее время на породных отвалах Донбасса происходят современные геологические процессы, обусловленные деятельностью человека, которые приводят к образованию новых минеральных видов. Опыт детального изучения этих минералов показывает, что не¬оминерализация отвалов угольных шахт весьма разнообразна, и список новых мине¬ралов Донбасса может быть продолжен. Исследования новообразованных минералов важны с точки зрения минералогии и кристаллографии, для реконструкции процес¬сов, происходящих внутри отвалов, приводящих к образованию и исчезновению ми¬неральных видов и их парагенетических ассоциаций. Подобные исследования также являются вкладом в новое направление науки - экологическую минералогию. Про¬веденные исследования позволили установить повышенную экологическую опас¬ность горящих породных отвалов и новообразованных минералов и наметить на¬правления дальнейших исследований по вопросам охраны окружающей среды, свя¬занных с негативным влиянием отходов угледобывающей промышленности.
Библиографический список
1. Лазаренко Е.К., Панов Б.С., Павлишин В.И. Минералогия Донецкого бассейна: В 2 т. / Наук.думка. — Киев, 1975. —Т.1 —221 с, — Т.2. — 509 с.
2. Неоминералнзация горящих угольных отвалов Донбасса / Б.С.Панов, Ю.А.Проскурня, В.С.Мельников, Е.Е.Гречановская // Минерал, журнал, 2000. — Т. 22. — № 4. — С. 37—46.
3. Панов Б.С. Дорфман М.Д., Смолянинова Н.Н. О нашатыре из Донецкого бассейна // Но¬вые данные о минералах СССР. — М.: Наука, 1974. — Вып. 23. — С. 220-223.
4. Проскурня Ю.А. Мшералопя відвалів вугільних шахт Донбасу (на прикладі Донецько-Макнвського промислового району). Автореф. дис. канд. геолог, наук: 04.00.20 / ДонНТУ, Донецк, 2000.— 19 с.
5. Сребродольский Б.И. Тайны сезонных минералов, — М.: Наука, 1989. — 144 с.
6. Чесноков Б.В. Щербакова Е.П. Минералогия горелых отвалов Челябинского угольного бассейна (опыт минералогии техногенеза). — М.: Наука, 1991. — 152 с.
7. Limacher D. A propos de la formation de mineraux secondares lors de la combustion des char-bons // Societe Geologigue du Nord, Annates. — 1963. — V. 83. — Pan 4. — P. 287-288.
8. Mineralogy associated with burning anthracite deposits of eastern Pennsylvania / D.M. Lapham, J.H. Barnes, W.F. Downey, R.B. Finkelman // Pa. Geol. Surv. Miner. Resour. Rep. — 1980. — №78. — P. 1-82.
9. Rost R. The minerals formed on burning heaps in the coal basin of Kladno // Bull. Intern. Acad. Sci.Boheme. — 1937. —№11, —P. 1-7.
10. Stalmachova' В., Maty'sek D. Sukcese rostlin a pedogeneticke' procesy na odvalovy'ch sub-stra'tech Ostravsko-Karvinske'ho revi'ru // Proc. Conf. Environment and mineral processing , VSB, Ostrava, in press, — 1992.