CC BY
45
^ SCIENCE SLAM
Р. А. ФИЛЕНКО
РОЖДЕННЫЕ
подземным
Подземное горение углей характерно для многих месторождений мира. Подобные пожары, возникающие под воздействием как природных, так и антропогенных факторов, могут охватывать большую площадь и продолжаться много лет. Все они, независимо от происхождения, наносят большой экономический и экологический ущерб.
Однако подземные пожары представляют немалый интерес, на взгляд геолога, ведь горящие угольные пласты являются своего рода «миниатюрными» вулканами, в газовых струях которых идет образование необычных минералов
Самым старым из известных горящих месторождений угля является Горящая гора в Австралии, где подземный пожар длится, по некоторым оценкам, уже около 6 тыс. лет! А подземное горение угля на Фан-Ягнобском месторождении в Таджикистане упоминается еще знаменитым римским писателем-энциклопедистом Плинием Старшим, жившим в первом столетии нашей эры. Затраты на тушение таких пожаров очень велики, да к тому же не всегда эффективны, так как всегда существует вероятность возникновения новых очагов горения.
Но горящие угольные пласты - не только экологическое и экономическое бедствие. Подземные пожары часто сравнивают с природной лабораторией, где в наши дни в условиях высоких температур, достигающих 1200 °С и выше, синтезируются необычные или вовсе не известные минералогам химические соединения. В зависимости от близости к очагу интенсивного горения можно выделить последовательные зоны минералообразования, для которых характерны свои особые минеральные ассоциации.
Минеральные метаморфозы
Известный геолог-минералог Б. В. Чесноков, основоположник нового научного направления - минералогии техногенеза, при изучении горелых угольных отвалов Челябинского угольного бассейна выделил главные процессы «пожарного» минералообразования: возгонка угольного (органического) вещества; интенсивное абиогенное окисление с формированием оксидов; дегидратация водных минералов; обжиг и перекристаллизация; переплавление пород с образованием минералов, характерных для магматических пород (например, силикатов) (Потапов, Максимович, 2006).
Возникающие вследствие подземного горения зоны разуплотнения приводят к проседанию грунтов и образованию сети глубоких трещин, по которым из очага горения к поверхности поднимаются горячие (70—300 °С) струи газа, образующегося в результате горения, переплавления и обжига пород, сопровождаются образованием газов. Эти выделения газов очень напоминают вулканические фумаролы, почему их часто и называют псевдо-фумаролами. Примером могут служить серосодержащие газовые струи, формирующиеся в глубине отвалов и выходящие на их вершинах в виде фумарол с температурой 400—500 °С.
Мигрируя к поверхности, газы вступают во взаимодействие с обломками горных пород. В результате по краям жерл образуются специфические минеральные ассоциации - фумарольные коры, которые в зависимости от преобладания тех или иных соединений могут быть сульфатными, хло-ридными или аммонийными. В этих минеральных сообществах встречаются виды, нигде ранее не описанные.
ФИЛЕНКО Роман Андреевич -младший научный сотрудник лаборатории геохимии и рудогенеза Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (Чита). Действительный член Читинского отделения Российского минералогического общества и Забайкальского отделения Русского географического общества.
Автор и соавтор более 30 научных и ряда научно-популярных публикаций
Ключевые слова: современное минералообразование, подземные угольные пожары, термический анализ.
Key words: modern mineral formation, underground coal fires, thermal analysis.
Слева внизу - оплавленные дендритные формы выделения масканьита (NH4)2SO4 из псевдофумарольных минеральных ассоциаций Черновского буроугольного месторождения.
Слева вверху - измерение температуры поверхности около выхода горячих газовых струй (псевдофумарол)
209
© Р. А. Филенко, 2014
SCIENCE SLAM
J'l-IL
Обвал
и проседание грунта
над выходом горящего угольного пласта
Свечение раскаленной породы в трещине (1 м от дневной поверхности)
Относительная масса, %
Удельная мощность, мВт/г
Первый эндотермический пик около 191 °С на термограмме нашатыря показывает процесс плавления минерала; большая ступень потери массы и связанный с ней эндотермический пик при 330 °С характеризуют процесс его разложения и возгонки Фото Н. Ташлыковой
Минералы читинских «фумарол»
Сотрудники лаборатории геохимии и рудогенеза Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН при участии коллег из лаборатории геофизики криогенеза с 2010 г. ведут наблюдения за подземными пожарами в районе Черновского буроугольного месторождения. Это месторождение, эксплуатация которого была прекращена в 1989 г., располагается на территории г. Чита - столицы Забайкальского края.
За прошедшие годы здесь были выявлены не только старые долгоживущие очаги возгорания, но и новые -в недавно заброшенных и некультивированных угольных карьерах. Установлено, что очаги этих подземных пожаров постепенно смещаются по угольным пластам со скоростью 0,5—1,0 м/год (Филенко, 2011).
Благодаря ряду физико-химических свойств угли Черновского месторождения обладают способностью самовозгораться. Этому, в том числе, способствует и содержащийся в угле и вмещающих осадочных горных
породах тонко вкрапленный сульфид железа - пирит. Судя по данным геологических отчетов, уголь горел в одном из карьеров на восточном фланге месторождения уже во второй половине прошлого века.
Детальное изучение минералогии фумарольной зоны подземных пожаров на Черновском буроугольном месторождении началось в 2013 г. Для диагностики минерального состава фумарольных новообразований использовался рентгеноструктурный и термический методы анализа.
Если использовать медицинские аналогии, то первый метод исследования можно сравнить с обычным рентгеновским исследованием пациента; второй же, по сути, близок к допросу на детекторе лжи с «пытками» испытуемого. Дело в том, что суть термического анализа состоит в изучении свойств вещества и процессов, происходящих в нем при довольно жестком воздействии -нагревании по заданной программе. Идея использовать термический анализ в этом случае была подсказана книгой известного советского минералога Б. И. Среб-родолького «Тайна сезонных минералов» (1989), посвященной современному минералообразованию, в том числе в зоне деятельности подземных пожаров.
В итоге термического анализа мы получаем термограммы (кривые нагревания) в виде синхронно записанных сигналов термогравиметрии (ТГ), позволяющих судить об изменении массы образца в зависимости от температуры, и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), с помощью которых измеряется
211
Относительная масса (ТГ), % 100 -|----------
На термограмме масканьита (NH4)2SO4 показаны ступени потери массы и связанные с ними эндотермические пики, характеризующие процессы плавления, разложения и возгонки минерала.
Красная линия - сигнал ДСК, Зеленая линия - сигнал ТГ Вверху - игольчатые и дендритные выделения масканьита
80-
60-
40-
20-
0
Удельная мощность (ДСК), мВт/г | экзо
13,41 % '
т
140,6 °C
| эндо
- 83,40 %
231,3
0
-1
-2
-3
-4
-5
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Температура, °С
разность тепловых потоков между образцом и эталоном. Ход этих двух кривых термограммы позволяет судить о том, что за минеральная ассоциация скрывается в той или иной пробе.
По пикам термоэффектов и ступеням потери массы образца при нагревании удалось выяснить много интересного о составе и свойствах отдельных минералов, образующихся в фумарольной зоне в разное время года. Например, по пикам плавления на термограммах серы в некоторых пробах удалось обнаружить присут-свие одновременно двух полиморфных модификаций: ромбической a-серы и моноклинной p-серы (Филенко, 2012).
Очень выразительно выглядят на термограммах термоэффекты, связанные с разложением минерала и выходом из него отдельных компонентов - они всегда большие и к тому же растянуты во времени. Например, выход молекул воды в новообразованных сульфатах при температурах 100—200 °С. При этом происходит
и потеря массы, по которой можно подсчитать число таких молекул и определить минерал. Так, сульфат алюминия может содержать 12, 14 или 16 молекул воды, в зависимости от температурного режима и увлажнения в течение года. Рекордсменами же являются алуноген, содержащий 17 молекул, и милошевичит - безводный сульфат алюминия. В глубинной зоне обнаружен также безводный тройной сульфат аммония, алюминия и железа - годовиковит. В приповерхностных условиях он гидратируется до чермигита, содержащего уже 12 молекул воды.
Летом, как правило, большинство этих сульфатов растворяется и на время исчезает, а в сухой период зимой и весной они образуются вновь. В этом и есть смысл сезонности минералообразования, так схожего с процессами, идущими в живой природе.
В начале 2013 г. инженер аналитического центра ИЗК СО РАН Д. С. Суворова с помошью рентгеновского анализа в одной из проб с поверхности фумарол
обнаружила настоящую минералогическую редкость - алюмофторид розенбергит. В мире это четвертая находка, но в России - первая. Исследование свойств редчайшего минерала еще продолжается, но уже полученные результаты говорят о его схожести с итальянским «родственником» из месторождения Цетино в Тоскане (Olmi et al, 1993).
Работ по всестороннему изучению древних и современных подземных пожаров на Черновском буроугольном месторождении хватит еще не на один год и не на одну научно-исследовательскую лабораторию. Это интересный объект не только для минералогов, но и для палеонтологов, микробиологов, геохимиков и экологов, решающих как прикладные (тушение и предотвращение возгораний), так и фундаментальные (причина возгорания, современное минералообразование) проблемы.
Литература
Потапов С. С., Максимович Н. Г. К минералогии горелых отвалов Ки-зеловского угольного бассейна (Пермский край) // Седьмые Всероссийские научные чтения памяти ильменского минералога В. О. Полякова. Миасс, 2006. С. 56-67.
Сребродольский Б. И. Тайны сезонных минералов. М.: Наука, 1989. 144 с.
Филенко Р. А. Древние и современные подземные пожары на Черновском буроугольном месторождении// Молодежь и наука Забайкалья: Материалы II молодеж. науч. конф., Чита, 17-20 мая 2011 г. Чита, 2011.
Дендритоподобные и игольчатые выделения серы на поверхности асфальтоподобной (битуминозной) коры над тлеющим угольным пластом на западном фланге Черновского буроугольного месторождения
В публикации использованы фото автора
С. 18-22.
Работа выполнена при финансовой поддержке СНМ ИПРЭК СО РАН (Конкурс молодежных научных проектов - 2013)
