Научные Доклады Научного Руководителя

Авторы:

Мельников B.C., Греченовская Е.Е.

Аннотация:

Показано, что разнообразие образующихся в отвалах новых минералов является результатом контрастных условий минералообразования (большие градиенты температуры, летучесть кислорода, кислотно-щелочные растворы.

Основная часть:

Современное минералообразование в горящих отвалах – это результат сложных физико-химических процессов, инициированных рудодобывающей деятельностью человека. Негативное интенсивное протекание этих процессов наблюдается в горящих угольных отвалах – территориях. Причины: высокая горечь отвальной породы, хорошо известны. Комплекс минералов, образующих породу, формировался много миллионов лет назад и, до извлечения на поверхность, находился в состоянии термодинамического равновесия. Это равновесие было нарушено перемещением породы в среду богатую кислородом. Углистое вещества в этих условиях относительно устойчиво, но неустойчивыми минералами оказываются сульфиды железа – пирит и марказит. При участии мономолекул пирит происходит чрезвычайно интенсивно. Поскольку реакция окисления пирита сильно экзотермична, это приводит к само ускорению процесса, в который вовлекается ассоциирующаяся с пиритом органическое вещество. При самовозгорании большой массы породы терикон превращается в открытый химический реактор, выбрасывающий в окружающей среде значительные объемы вредного вещества в виде газообразных и твердых продуктов реакции. В горящей углесодержащей породе происходит большое число химических реакций (окисления, дегидратации, пиролиза, синтеза), продукты которых могут оставаться на месте или перемещаться в виде газов (растворов) в трещинном пространстве отвалов. В зависимости от летучести газообразные продукты могут быть или отложены в холодных участках (на термальном барьере) или вынесены в атмосферу. В состав исходной породы входят глинистые водосодержащие минералы – монтмориллонит, каолинит, гидрослюда, хлорит. При высокой температуре дегидратация этих минералов обедненных водой переходит в газовую фазу большого объема пара воды. Скопления продуктов горения и термического преобразования минералов образуют «псевдофумаролы». Аналогии в вулканическими эксталяциями и только в фазовом составе неоминерализации, но также в высокой температуре газов. Перемещаясь от очагов горения к холодной поверхности террикона, водосодержащие кислотные газы конденсируются в жидкость с низким значением pH. Высокая температура породы способствует интенсивному извлечению щелочных и частично щелочноземельных элементов. Вышеописанные породы подвергаются воздействию высокой температуры (800-1000°C) и перекристаллизации выделяются в новые фазы – муллит, кристобалит, кордиерит, индиалит, магнетит (термальный метамфорфизм Гольдшмидта). Новообразования минералы это, главным образом, безводные силикаты и окислы. Характерно образование высокотемпературных полиморфов (криистобалит, индиалит, магнетит). Газообразные продукты реакций горения, перемещаясь в холодные зоны, испытывают ряд превращений. Некоторые компоненты газа вступают в химические реакции друг с другом образуя новые, но менее летучие соединения (кислоты, нашатырь, серу). Более инертные компоненты (CO₂, N₂) уходят в атмосферу. Преважнейшей важной особенностью газов горения, содержащих водяной пар, является их высокая транспортная способность переносить Al, Mg, аммония газообразной фазой является одним из ведущих факторов минералогенезиса в горящих угольных отвалах. Однако, иногда трудно определить, какие минералы относятся к продуктам фумарольных возгонов, а какие кристаллизовались in situ из растворов. Как исключение могут быть только нашатырь и сера, которые считаются типичными представителями вулканических сублиматов. Сложность минералогенезиса в отвальной углеродосодержащей породе обуславливается множественностью факторов, влияющих на этот процесс. К ним следует отнести следующие факторы: а) минеральный состав породы, количество сульфидов железа и органического вещества; б) масса породы и ее проницаемость; в) температурные градиенты и их изменения во времени; г) количество атмосферных осадков и др. Процесс горения развивается стадийно и каждой стадии присущ определенный комплекс продуктов реакций, лишь некоторые могут оказаться стабильными фазами, то есть неоминералы. Кристаллизация неоминералов отражает не только геохимические особенности и исходной породы, а термодинамические параметры процесса, но также те изменения, которые они испытывают в процессе охлаждения (гидратидация, регидратация, полиморфные превращения). Уникальная способность органических веществ к хемосорбции имеет следствием поступление в газообразные продукты горения широкого спектра вредных элементов (рутул, мышьяк, цинк, бериллий и др.). Хотя большая часть из них будет выброшена в атмосферу, но в виде микропримесей они могут быть зафиксированы в кристаллической структуре неоминералов. Таким образом, изоморфные примеси в продуктах минералогических отвальных терриконов можно использовать в качестве индикатора уровня экологической опасности продуктов термохимического преобразования горной породы в условиях земной поверхности.

Неоминералы горящих угольных отвалов:

Число новообразованных минералов, образующихся в процессах окисления пород, содержащих дисульфида железа и органическое вещество заимствуется минеравидосо держащие составом породы и химическое процесса горения. Продукты трансформации горных пород и горения терриконов могут быть разделены на несколько генетических типов: 1.Минералы – продукты термального метаморфизма, образовавшиеся in situ в условиях а) низкой и б) высокой фугитивности кислорода. В пространстве террикона они локализуются в зонах пиролиза и горения соответственно. 2.Минералы псевдофумарол. 3.Минералы термальных растворов. Граница между вторым и третьим типом условий как продукты выщелачивания могут переродиться в газовой фазе. Следующий перечень характеризует минералогию, главным образом, отвалов терриконов Донбасса и угольного углового бассейна. В этот список внесены также минералы, генезис которых связан с окислением пиритов и магнетитовых сланцев, но не включены минеральные фазы, образовавшиеся по предметам техногенного происхождения (железная и медная проволока, кабель и пр.).

Особенности минералогенезиса в угольных терриконах:

В окрестности угольных породах установлено более 120 минеральных видов, принадлежащих к различным классам. В исходной углеодержащей породе число породообразующих минералов не превышает 10-15. Это вызвано особенности минералогенезиса в горящей отвальной массе породы. Отметим наиболее важные: 1.Минералообразование в горящем терриконе происходит в широком интервале температур, фугитивности кислорода, концентрации воды 2.Кристаллизация большинства минеральных фаз происходила в условиях открытой системы. 3.В условиях кислого парового кислорода образуются редкие минералы со следующим потенциалом So₃⁺, по крайней мере, на этом этапе минералогенезиса.

Список литературы:

1.Панов Б.С. Некоторые вопросы минералогии донецкого бассейна // Мин. Журнал, 1993. - 15, №6. - С. 45-50.

2.Панов Б.С., Проскурня Ю.А., Мельников В.С., Гречановская Е.Е. Неоминерализация горящих угольных отвалов Донбасса // Мин. Журнал, 2000. - 22. - №4. - С. 37-46.

3.Суетанов В.С. Аммонийсодержащие минералы из отвалов Копейского месторождения бурых углей // Минералы месторождений Южного и среднего Урала. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1985. - С. 59-65.

4.Чесноков Б.В., Михал Т.А., Дерайина Т.М. Типы техногенной минерализации отвалов Челябинского угольного бассейна. - В кн.: Минералы месторождений Южного и Среднего Урала. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1985. - С. 47-59.

5.Чесноков Б. В., Щербакова Е.П. Минералогия горелых отвалов Челябинского угольного бассейна: Опыт минералогического анализа техногенеза. - М: Наука, 1991. - С. 151.