Блог

С. С. Потапов, С. М. Блинов, Д. С. Потапов

МОРФОЛОГИЯ, МИНЕРАЛОГИЯ И ГЕНЕЗИС ГИДРОКСИДНО-ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГУРОВ УЧАСТКА БЕЛЫЙ СПОЙ В КИЗЕЛОВСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ И СРАВНЕНИЕ С ТРАВЕРТИНОВЫМИ ПОСТРОЙКАМИ ПАМУККАЛЕ В ТУРЦИИ

С. С. Потапов, С. М. Блинов, Д. С. Потапов

МОРФОЛОГИЯ, МИНЕРАЛОГИЯ И ГЕНЕЗИС ГИДРОКСИДНО-ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГУРОВ
УЧАСТКА БЕЛЫЙ СПОЙ В КИЗЕЛОВСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ И
СРАВНЕНИЕ С ТРАВЕРТИНОВЫМИ ПОСТРОЙКАМИ ПАМУККАЛЕ В ТУРЦИИ

Как известно, при изливании на поверхность гидротермальных вод происходит их разгрузка с образованием специфических форм рельефа – плотин, гуров, сложенных травертинами, известковыми туфами. Известковые гуры образуются и из холодных насыщеных гидрокарбонатно-кальциевых вод в условиях карбонатно-карстовых пещер. В течение 2002-2004 гг. нами в рамках проведения экспедиционных работ в Пермской области изучались современные техногенные минеральные образования – гидроксидно-железистые гуры, или плотины, являющиеся новым типом источниковых отложений, сформировавшихся в месте выхода на поверхность (самоизлива) кислых вод из шурфа № 63 шахты Белый Спой в Кизеловском угольном бассейне. В результате выполнения работ изучены геолого-гидрогеологические условия поля шахты Белый Спой, гидродинамический, температурный и гидрохимический режим самоизлива, выполнено исследование морфологических, минералогических и геохимических особенностей железистых плотин, дана характеристика условий их формирования и развития, выявлена роль геохимических барьеров в концентрации элементов и участия в этих процессах микроорганизмов и растительности. Часть результатов представляется в настоящей статье. Объект исследований находится на территории, административно принадлежащей г. Кизел Пермской области. Месторождение угля Белый Спой, расположенное в северо-восточной части Кизеловского бассейна (рис. 1), разрабатывалось с 1950-х г. на трех горизонтах. В 1980 г. разработка двух нижних горизонтов прекращена, а в 1983 г. шахта была полностью ликвидирована. Геологические условия. Поскольку состав и динамика излива вод определяется особенностями геологического строения шахтного поля, кратко остановимся на этом. Кизеловский угольный бассейн расположен в центральной части внешней складчатой зоны Урала, сложенной терригенно-карбонатным комплексом палеозойских пород мощностью более 2000 м. Основными структурными элементами являются меридионально вытянутые опрокинутые на запад складки, осложненные серией надвигов и сбросов различной амплитуды. В строении поля шахты Белый Спой принимают участие породы нижнего карбона, представленные отложениями турнейского и визейского ярусов. Турнейский ярус (C1t) в нижней части на Белом Спое представлен известняками, в верхней – кремнистыми аргиллитами, переслаивающимися с кварцевыми песчаниками. В основании визейского яруса (hC1v1+2) залегает угленосная толща, которая сложена песчано-глинистыми терригенными породами с подчиненными им пластами каменного угля, из которых разрабатывались №№ 9, 11 и 13. Мощность угленосной толщи поля Белый Спой достигает 250 м. Белоспойская синклиналь вытянута в меридиональном направлении. Протяженность складки около 4 км. Угол падения пород западного крыла составляет 40-50о. В приосевой части она осложнена антиклинальным поднятием, микроскладчатостью и мелкими дизъюнктивными нарушениями. Восточное крыло синклинали срезано Восточно-Коспашским взбросом с амплитудой смещения около 200 м. Здесь угленосные отложения полностью денудированы, а распространены лишь турнейские породы. Основной геохимической особенностью пород угленосной формации является высокое содержание сульфидной и органической серы. По данным различных источников среднее содержание пирита в них составляет 5-8 %, а максимальное может достигать 15 %. Гидрогеологические условия. В обводнении шахтного поля принимают участие в основном трещинно-пластовые воды угленосной толщи, а также воды, проникающие с поверхности через провалы и горные выработки. Согласно одних источников водоприток из пород C1t в горные выработки отсутствует вследствие особенностей их литологического состава, согласно другим – переток имеется, но незначительный. Водообильность отложений угленосной толщи по данным откачек относительно невелика. При проходке вертикального ствола шахты Белый Спой № 2 приток воды достигал 56 м3/час. Состав вод визейского водоносного комплекса гидрокарбонатно-кальциевый. Минерализация воды составляет 0.1-0.3 г/л, водородный показатель pH ~ 7.3-7.4. После начала разработки угля кислород атмосферного воздуха и подземные воды визейского водоносного комплекса стали поступать в горные выработки, что активизировало развитие сернокислотного процесса – микробиологическое окисление пирита с образованием серной кислоты и сульфата железа. В результате в горных выработках стали формироваться кислые шахтные воды. Водопритоки в горные выработки в начальный период работы шахты были относительно невелики. К середине 1970-х гг. средний водоприток увеличился до 70-80, а перед прекращением откачки с двух нижних горизонтов достигал 90-100 м3/час. В 1983 г. в связи с ликвидацией водооткачивающие насосы были отключены, и в шахтном пространстве в течение 3 лет наблюдался подъем уровня воды. В 1986 г. шахтная вода стала самопроизвольно изливаться на поверхность из шурфа № 63 с абсолютной отметкой +437 м, что и явилось причиной образования уникальных форм – гидроксидно-железистых плотин. В настоящее время гидродинамический режим самоизлива из шурфа № 63 схож с режимом шахтного водоотлива в период эксплуатации шахты. Гидрогеохимические условия. В начальный период работы шахты при освоении 1 горизонта содержание в шахтных водах сульфатов и железа было относительно невелико. Их минерализация составляла 0.2-0.6 г/л, pH ~ 2.8-3.6. С вовлечением в отработку всех горизонтов к началу 1970-х г. минерализация шахтных вод увеличилась до 6-11 г/л главным образом за счет роста концентрации сульфатов и железа. В первый момент после появления самоизлива из шурфа минерализация шахтных вод была максимальной и составляла более 20 г/л. Содержание сульфатов достигало 12.0, железа – 3.3, а алюминия – 1.1 г/л. По данным МНИИЭКО ТЭК затем в шахтной воде наблюдается закономерное снижение концентрации растворенных веществ. Начиная с 2000 г. в химическом составе шахтных вод наблюдается определенная стабилизация. Значения минерализации установились на уровне 1.5-2.0 г/л, концентрации сульфатов – 700-1400, железа – 250-430 и алюминии – 29-54 мг/л (табл. 1). Температура воды на самоизливе независимо от времени года практически постоянна и варьирует в пределах от +8.0 до +8.4 °С. Режимные наблюдения за химическим составом шахтных вод, проведенные в 2004 г., показали, что максимальные значения минерализации наблюдаются весной и летом в периоды наибольшего расхода шахтных вод (табл. 2). Увеличение минерализации шахтных вод происходит в основном за счет увеличения содержания сульфатов и двухвалентного железа. Зависимость от остальных компонентов незначительна. Большая часть ионного стока приходится на весенний период. Это связано с тем, что наибольшее выщелачивание элементов из массива горных пород происходит в зоне сезонного колебания уровня подземных вод. В период низкого стояния уровня породы этой зоны достаточно увлажнены и находятся в контакте с кислородом атмосферного воздуха. В результате в этот период происходит интенсивное окисление пирита. Во время подъема уровня продукты сернокислотного процесса растворяются в шахтной воде и поступают на поверхность в виде ионов. В микроэлементном составе шахтных вод наибольшее значение имеет концентрация марганца – более 9 мг/л; в ощутимых количествах присутствуют цинк – до 1.5 мг/л и никель – до 0.9 мг/л. В составе газов шахтной воды, а также газов, выделяющихся со дна большинства ванн, преобладают азот 93-95 % и углекислый газ 4.6-6.4 %. Метан и другие углеводороды присутствуют в незначительных количествах; сероводород практически отсутствует. Морфология гидроксидно-железистых гуров. Изливающаяся из шурфа шахтная вода и впадающая через 50 м в относительно пресный Красный ручей, стекая вниз по склону, на своем пути формирует гидроксидно-железистые плотины. Относительно длительная, более 20 лет, разгрузка кислых вод привела к отложению сульфатов и гидроксидов железа с образованием морфологических форм, характерных для известково-туфовых построек, формирующихся на участках выхода источников гидротермальных углекислых подземных вод. На склоне, где вода шахтного излива широко разливается по поверхности, образующиеся осадки формируют уступы и барьеры с неглубокими водными ваннами, которые террасами спускаются по склону (рис. 2а, б). Рельеф местности является одним из важных факторов формирования гидроксидно-железистых плотин. Эти гуры или плотины можно отнести к склоновому типу. Угол склона, где сформировались постройки, составляет 7-21о. Общая площадь построек составляет более 250 м2 (не считая 50 м2 еще окончательно не сформировавшихся в 2004 г. плотин). Длина плотин изменяется в широких пределах от 0.2 до 20 м, причем треть от количества приходится на плотины до 1 м, еще треть – от 1 до 2 м. Ширина плотин незначительна, и не превышает 0.2-0.3 м. Высота плотин в верхнем бьефе изменяется в небольших пределах и не превышает 0.1 м, в нижнем обычно составляет 0.1-0.2 м и может достигать 0.45-0.50 м. Ванны (рис. 2в) обычно неглубокие – до нескольких сантиметров, часть из них на момент обследования в июле 2004 г. была сухой. Исключение составляет ближайшая к самоизливу свежая ванна, подпруженная упавшей поперек кислого ручья веткой и затором опавшей листвы и водорослей, еще не обросших минеральным веществом и имеющая глубину 0.4-0.6 м. Совершенно другой масштаб и другое минеральное наполнение имеют известковые плотины, образовавшиеся на крутом склоне за период более 15 тыс. лет из гидротермальных вод Памуккале в Турции (рис. 3). Здесь горячие углекислые воды образовали травертиновый панцирь мощностью 100 м и длиной 3 км. Вместе с тем по морфологии (см. рис. 2 и 3) и механизмам образования эти естественные (геологические) плотины имеют много общего с техногенными гидроксидно-железистыми гурами Белого Споя, история формирования которых насчитывает немногим более 20 лет. Минеральный состав гуров. Минеральные отложения зональны: в нижней подводной части разреза на грунт (почву с растительными травянистыми остатками и опадом листвы) отлагается сульфат железа – ярозит (KFe3(SO4)2(OH)6 (триг. синг.) в виде илоподобной желтоватой массы мощностью до 50 см с небольшими стяжениями бурых, темно-коричневых рентгеноаморфных гидроксидов железа FeO(OH). Рентгенограмма ярозита самоизлива шахты Белый Спой идеально подходит для таковой ярозита из картотеки JCPDS (ASTM), карта 22-827. Интенсивные линии рентгенограммы ярозита: 5.092(5.09), 3.107(3.11), 3.078(3.08), 2.864(2.861), 2.288(2.287) Å (в скобках указано для эталона). Сверху над слоем ярозита, выступая над поверхностью воды, образуются темно-бурые пористые легкие коры рентгеноаморфных гидроксидов железа. На рентенограммах ни одной из более чем десятка проанализированных проб, не отмечается ни одного рефлекса. Только на рентенограмме одной пробы слабо выражен самый интенсивный пик примесного кварца 3.35(100). Для структуризации минерального вещества, слагающего верхний слой отложений и материал плотин, выступающий над поверхностью воды, проведен прогрев предварительно измельченных в порошок проб в фарфоровых тиглях в муфельной печи при температуре 100 ºС в течение 2-х часов. После обжига проявилась довольно четкая картина дифракции – появились линии гетита -FeO(OH) (ромб. синг.). Интенсивные линии гетита на рентгенограмме следующие: 3.347(3.38), 2.591(2.58), 2.455(2.452), 2.249(2.252), 1.722(1.721) Å (в скобках указано для эталонного гетита картотеки JCPDS (ASTM), карта 17-536). В многочисленных водных ваннах, подпруженных плотинами, на склоне участка Белый Спой происходит образование гидроксидно-железистых стяжений – конкреций размером от 0.5 до 3 см. В этих же ваннах встречаются формы обрастания (не псевдоморфозы!) гидроксидами железа листьев (рис. 4) и веток березы. Осадки под слоем воды в ваннах имеют рыхлое сложение, пористые, слабосцементированные. В них можно провалиться по колено. Выступающие над поверхностью воды гидроксидно-железистые плотины, высыхая, становятся, несмотря на свое рыхлое, пористое сложение, более прочными, сцементированными и легко удерживают вес взрослого человека. Таким образом, разрез отложений из кислых вод шахты Белый Спой стратифицирован. Верхний горизонт сложен образованиями рентгеноаморфного гидроксида железа, а нижний – ярозитом. Авторы благодарны В. В. Зайкову, Н. Ф. Шегуровой и А. А. Каздыму за информационную поддержку, предоставление фотографий и публикаций по Памуккале. Настоящие исследования поддержаны РФФИ в рамках проектов № 04-05-64234 “Комплексное изучение новых природно-техногенных образований на территории Кизеловского угольного бассейна” и № 05-05-64680 “Минералогические и экологические последствия разработки угольных месторождений (на примере Челябинского и Кизеловского бассейнов)”.

Литература

1. Акшит И. Памуккале. Хиераполис. Стамбул: ЛТД. Ко. Акшит Агентство по туризму, культуре и искусству, 2002. 72 с.

2. Кунар С. Вся Турция. Туристический справочник и история. Анталья: Интерофис, 2004.