Wybrane zagadnienia z geologii cz. II

 

Zawartość

Wybrane zagadnienia z geologii cz. II. 1

I.        Petrografia. 1

1.        Pojęcie skał 1

2.        Budowa i klasyfikacja skał 1

3.        Skały magmowe. 2

4.        Skały osadowe. 3

a.        Skały osadowe pochodzenia mechanicznego, czyli skały okruchowe. 4

b.        Skały osadowe pochodzenia chemicznego i organicznego. 5

c.        Skały osadowe pochodzenia organicznego. 5

5.        Skały metamorficzne, czyli przeobrażone. 5

6.        Znaki umowne skał 6

II.       Węgle kopalne. 7

1.        Powstanie węgli kopalnych i ich podział 7

a.        Węgle humusowe. 7

¾       Torf. 8

¾       Węgiel brunatny. 8

¾       Węgiel kamienny. 8

b.        Węgle sapropelowe. 8

2.        Własności węgli kopalnych. 9

a.        Zawartość wilgoci 9

b.        Zawartość popiołu. 9

c.        Zawartość części lotnych. 9

d.        Wartość opalowa. 9

e.        Spiekalność. 9

3.        Klasyfikacja węgla kamiennego. 9

4.        Grupa bituminów.. 10

III.          Geologia dynamiczna. 11

1.        Procesy geologiczne. 11

2.        Działalność powietrza i wód powierzchniowych. 11

a.        Procesy wietrzenia. 11

b.        Działalność wiatru. 12

c.        Działalność geologiczna wód powierzchniowych. 12

d.        Działalność lodowców.. 12

3.        Wody podziemne. 13

 

 

I.  Petrografia

1.    Pojęcie skał

Skały są to naturalne skupiska minerałów jednorodnych lub różnorodnych. Nauka o skałach, ich własnościach fizycznych i chemicznych, ich powstaniu oraz występowaniu w skorupie ziemskiej nazywa się petrografią.

2.    Budowa i klasyfikacja skał

O budowie skał decydują:

·         skład mineralny,

·         struktura, czyli stopień wykrystalizowania (wielkość) poszczególnych minerałów,

·         rozmieszczenie poszczególnych minerałów w skale

 

Skały mogą być utworzone z:

·         jednego minerału (np. halit) i wtedy określa się je jako skały proste

·         wielu minerałów i wtedy mówimy o skałach złożonych

 

Wyróżnimy istotne składniki mineralne decydujące o istocie skały oraz składniki nieistotne stanowiące jej domieszki.

 

Skały możemy klasyfikować ze względu na stan skupienia na :

— zwięzłe (piaskowce, granity),

— plastyczne (gliny, iły),

— sypkie (piaski, żwiry),

— półciekłe lub ciek (kurzawka, ropa naftowa),

— gazowe (gaz ziemny).

 

Najczęściej jednak stosowany w petrografii podział skał opiera się na ich genezie i obejmuje trzy główne grupy:

·         skały magmowe,

·          skały osadowe,

·         skały metamorficzne.

3.    Skały magmowe

Występują najliczniej w skorupie ziemskiej. Są produktem krzepnięcia magmy, a więc ich skład mineralny zależy od jej składu chemicznego. Struktura ich zależy od szybkości i równomierności krzepnięcia magmy. Dzielą się na skały głębinowe i wylewne.

Skały głębinowe powstały z magmy zastygającej w głębi ziemi. Mają one strukturę gruboziarnistą i równoziarnistą, ponieważ stygnięcie magmy odbywało się powoli i krystalizacja wszystkich minerałów przebiegała równomiernie. Typowymi skałami głębinowymi są  jest granit, sjenit, gabro.

Granit. Zawiera około 70% krzemionki (SiO2). Struktura jego jest ziarnista. Skład mineralny: skalenie, kwarc i łyszczyki, a obok nich w małych, zmiennych ilościach również apatyty, magnetyty, hornblendy i in. Odmiany zawierające biotyt noszą nazwę granitów biotytowych, muskowit — granitów muskowitowych. Barwa granitu zależy od barwy skalenia i może być biała, różowa lub ciemnoszara. Gęstość granitu wynosi 2,7 t/m3.

Granit używany jest jako materiał drogowy (kostka, tłuczeń), budowlany, dekoracyjny i rzeźbiarski.

Sjenit. Zawiera około 60% krzemionki. Struktura jego jest grubo- lub drobnoziarnista. Głównym składnikiem jest skaleń, zamiast łyszczyku może występować amfibol lub piroksen. Brak kwarcu. Barwa jasna, czerwona, różowa, żółtawa lub szara. Występuje przeważnie z granitem. Używany jest jako kamień drogowy i budowlany.

Gabro. Zawiera krzemionki około 50%. Struktura jego jest gruboziarnista. Skład mineralny stanowią: plagioklazy, pirokseny, często oliwin, rzadziej amfibol. Barwa czarna, szara lub zielonkawa.

Skały wylewne powstawały z magmy zastygłej na powierzchni ziemi albo płytko pod jej powierzchnią. Krzepnięcie magmy odbywało się szybko i nierównomiernie. W tych warunkach wykrystalizować w większe ziarna zdążyły tylko minerały o wysokim punkcie topnienia, tworząc w zakrzepłym jednobarwnym skrytokrystalicznym cieście skalnym widoczne gołym okiem prakryształy. Strukturę taką nazywa się strukturą porfirową, a najbardziej typową skałą dla niej jest porfir.

W przypadkach bardzo szybkiego krzepnięcia magmy powstają struktury szkliste, w których zakrzepła masa skalna przedstawia się jak szkliwo.

Częstokroć, wskutek uwalniania się z magmy składników gazowych, zakrzepła masa stanowi skałę porowatą, np. pumeks.

Typowymi skałami magmowymi wylewnymi są porfir, trachit, melafir, diabaz i bazalt.

Porfir kwarcowy. Skład mineralny podobny do granitu, ale strukturę ma porfirową. Widoczne gołym okiem prakryształy kwarcu i skalenia w skrytokrystalicznym cieście skalnym. Barwa żółta, brązowa lub czerwona. Używany jest jako materiał budowlany i drogowy.

Porfir zwyczajny. Skład mineralny zbliżony do sjenitu, ale strukturę ma porfirową. W cieście skalnym można wyróżnić prakryształy ortoklazu. Barwa szara z odcieniem żółtym lub czerwonawym.

Trachit kwarcowy. Składem chemicznym odpowiada granitowi, ale strukturę ma porfirową. Ciasto skalne zawiera drobne pęcherzyki, wskutek czego trachit jest na przełomie szorstki.

Trachit zwyczajny. Składem chemicznym zbliżony do sjenitu, strukturę ma porfirową z pęcherzykami. Stosowany jest do celów budowlanych, a także do produkcji porcelany, fajansu i szkła.

Andezyt. Składa się z plagioklazu oraz piroksenu lub amfibolu, rzadziej biotytu. Jest jasno- lub ciemnoczerwony o strukturze porfirowej. Stosowany do celów drogowych i budowlanych.

Melafiry. Składają się z plagioklazów i piroksenów. Struktura ich jest skrytokrystaliczna. Są często porowate. Barwa czerwona lub szarofioletowa.

Diabazy. Mają skład podobny jak melafiry, ale barwa ich jest od ciemnoszarej do czarnej. Melafiry i diabazy mają zastosowanie, jako kamień drogowy.

Bazalt. Jest magmową skałą wylewną. Skład mineralny zbliżony do gabra, ale strukturę ma skrystokrystaliezną lub porfirową. Bazalty występują w postaci wielobocznych — najczęściej pięcio lub sześciobocznych — slupów, między którymi znajdują się widoczne szczeliny lub płaszczyzny ułatwionej podzielności skały, czyli tzw. cios słupowy. Niezwietrzały bazalt używany jest jako materiał budowlany i drogowy. Odlewy z topionego bazaltu stosowane są do budowy aparatury chemicznej, do wyrobu izolatorów silnoprądowych i jako trudno ścieralne wkładki do rur podsadzkowych.

4.    Skały osadowe

 Powstały na powierzchni Ziemi — głównie w morzu, ale również w wodach powierzchniowych i na lądzie — z osadów nagromadzonych wskutek działania różnych czynników geologicznych (woda, wiatr, lodowce i organizmy). Ogólnie dzielą się na skały powstałe z osadów mechanicznych, chemicznych i organicznych.

Skały osadowe pochodzenia mechanicznego stanowią okruchy skał magmowych lub osadowych o różnych wielkościach, przytransportowanych na miejsce przez wodę lub wiatr. Materiał ten przykryty dalszymi osadami ulegał sprasowaniu i cementacji, w rezultacie, czego powstała skała zwięzła. W skałach osadowych pochodzenia mechanicznego, zwanych również skałami okruchowymi, zawsze można wyróżnić materiał okruchowy i masę cementacyjną, czyli lepiszcze. Może być ono ilaste, wapienne, krzemionkowe i in.

Skały osadowe pochodzenia chemicznego powstają przez wytrącanie się z roztworów. Na przykład woda morska zawiera w sobie wiele rozpuszczonych minerałów, głównie soli kamiennych i potasowych, siarczanów wapnia itp. w sprzyjających warunkach — w płytkich, silnie nasłonecznionych zatokach — następuje odparowanie wody i wytrącanie się minerałów z roztworu. Tworzą one złoża soli kamiennych, soli potasowych, gipsu i in. Skały osadowe pochodzenia chemicznego cechują się jednorodnością struktury w całej swej masie.

Skały osadowe pochodzenia organicznego utworzone są z nagromadzonych szczątków roślinnych (np. węgle kopalne) lub zwierzęcych (kreda i niektóre wapienie).

Główną cechą większości skał osadowych jest ich budowa warstwowa. Poszczególne warstwy są rozpoznawalne, ponieważ różnią się barwą, uziarnieniem i składem mineralnym osadu. Warstwę wyraźnie wyróżniającą się od warstw wyżej i niżej leżących nazywa się ławicą. Ławice węgla i innych kopalin noszą nazwę pokładów.

a.   Skały osadowe pochodzenia mechanicznego, czyli skały okruchowe

Ze względu na grubość ziarn (okruchów) wśród skal okruchowych można wyróżnić:

— skały gruboziarniste o ziarnach powyżej 2 mm; należą tu gruzy, żwiry, zlepieńce;

— skały średnioziarniste złożone z ziarn grubości 2 do 0,1 mm (piaski, piaskowce, kwarcyty);

— skały drobnoziarniste o ziarnach poniżej 0,1 mm; należą tu lessy i muły.

Osobną klasę stanowią skały ilaste złożone z drobnoziarnistych minerałów ilastych. W budowie ich mogą uczestniczyć minerały powstałe, jako osady chemiczne. Do skal ilastych należą: kaolin glina, lupki ogniotrwale i lupki ilaste.

Gruzy i żwiry. Stanowią zbiorowiska luźnych (niespojonych) ziarn skalnych ostrokrawędzistych (gruzy) lub otoczonych (żwiry). Mogą składać się z jednego rodzaju skały, a mogą być wieloskładnikowe. Eksploatację ich prowadzi się przeważnie w korytach górskich rzek.

Gruzy i żwiry używane są, jako kruszywo do betonu oraz do budowy dróg i nawierzchni kolejowych.

Zlepieńce albo konglomeraty. Złożone są z okruchów, podobnie jak gruzy i żwiry, lecz zcementowany lepiszczem krzemionkowym, wapiennym lub ilastym. Znajdują zastosowanie jako kamień budowlany ozdobny (zwłaszcza zlepieńce eksploatowane w rejonie Chęcin).

Piaski. Stanowią skalę luźną, średnioziarnistą, złożoną najczęściej z ziarn kwarcowych. Domieszkę stanowić mogą ziarna skaleni, minerałów ilastych, wapienia, rud żelaza i in. Nazwą piaski kwarcowe określa się piaski zawierające więcej jak 80% kwarcu. Najczystsze odmiany piasków kwarcowych stosowane są do wyrobu szkła. Są to piaski szklarskie. Piaski kwarcowe mają zastosowanie w budownictwie do sporządzania zapraw i betonu oraz w odlewnictwie metali do wykonywania form odlewniczych (piaski formierskie).

Piaskowce kwarcowe. Są skałami zwięzłymi, powstałymi z ziaren piasku kwarcowego scementowany lepiszczem krzemionkowym, wapiennym, ilastym lub żelazistym. Barwa piaskowca może być szara, żółtawa, różowa, ceglastoczerwona, brunatna, zielona zależnie od domieszek innych minerałów. Zaletą piaskowców jest duża wytrzymałość przy stosunkowo łatwej obróbce. Stosowane są chętnie w budownictwie jako kamień okładzinowy. Poza tym używane są do celów drogowych i kolejowych jako kamień łamany, tłuczeń, kostka, krawężniki itp.

Arkozy. Mają strukturę podobną do piaskowca ale zawartość w nich kwarcu jest mniejsza (około 70%). Zawartość skalenia około 20%. Barwa szara lub różowa, lepiszcze węglanowe.

Lessy. Stanowią skałę drobnoziarnistą. Nie są uwarstwione. Tworzą potężne ławice o miąższości kilkudziesięciu metr6w, często z głębokimi spękaniamPi0n0WYm.

Kaolin, czyli glinka porcelanowa. Jest skałą ilastą zasobną w kaolinit. Suchy kaolin jest pylasty, zmoczony staje się plastyczny. Stosowany jest w ceramice do wyrobu porcelany fajansu oraz materiałów ogniotrwałych.

Łupki ogniotrwałe. Są skalami zawierającymi głównie kaolinit. Zwięzłe i twarde, w wodzie nie stają się plastyczne. Występują również w złożach węglowych. Eksploatowane w kopalni Nowa Ruda stanowią po przeróbce materiał ogniotrwały stosowany w hutnictwie

Gliny. Są skałami ilastymi złożonymi z iłów, piasku, a często żwiru lub gruzu. Zależnie od zawartości związków żelaza mają barwę szarą, żółtą, brunatną lub rdzawą. Zwilżone wodą pęcznieją i stają się plastyczne. Glina stanowi podstawowy surowiec ceramiczny (cegły, kafle, dachówka).

Łupki ilaste, czyli iłołupki. Są skałami zwięzłymi zbudowanymi z bardzo drobnoziarnistych minerałów ilastych z domieszką pyłów kwarcowych, wapiennych, żelazistych lub organicznych. Zależnie od domieszek wyróżnia się łupki: piaszczyste, marglowe, bitumiczne. Łupki stigmariowe, występujące w spągach pokładów węglowych, zawierają resztki korzeni roślin, z których powstał węgiel. Łupki cechują się silnym i wyraźnym uwarstwieniem.

Bentonity. Są skałami ilastymi, zawierającymi jako główny składnik montmorillonjt. Domieszki stanowią: skalenie, amfibole, biotyt, apatyt i tlenki żelaza. W wodzie pęcznieją. Występują niekiedy w złożach węglowych. Stosowane są w odlewnictwie metali do mas formierskich oraz w procesie rafinacji ropy naftowej. Używane są również przy zagospodarowaniu nieużytków, np. hałd kopalnianych.

b.   Skały osadowe pochodzenia chemicznego i organicznego

Należą tu następujące skały użyteczne: ziemia okrzemkowa, boksyty, limonity, syderyty, wapienie, margle, dolomity, skały gipsowe i solne, skały siarkowe, fosforyty, torf, węgle brunatne i kamienne, łupki palne oraz kopalne paliwa płynne.

Ziemia okrzemkowa. Stanowi luźną miękką skałę pylastą, będącą nagromadzeniem krzemionkowych szkieletów jednokomórkowych organizmów roślinnych — okrzemek. Barwę ma białą lub żółtawą. Używana jest do wyrobu ma izolacyjnych i do wyrobu dynamitu.

Boksyty. Stanowią skałę ilastą osadową powstałą w wyniku wietrzenia chemicznego skał glinokrzemianowych. Główny ich składnik to tlenek glinu (Al203), którego zawartość dochodzi do 70% wagowo. Stanowią najważniejszą rudę glinu. Używane są również do wyrobu materiałów ogniotrwałych, sztucznych materiałów ściernych i cementów glinowych.

Wapienie. Są skałami osadowymi złożonymi głównie z kalcytu. Jako domieszki mogą występować: aragonit, dolomit, syderyt, mi minerały ilaste, kwarc i in. Barwa biała, żółtawa, szara, niekiedy brunatna. Większość wapieni jest pochodzenia organicznego, np. wapień muszlowy, koralowy, kreda (składająca się z wapiennych szkieletów otwornic i glonów). Są też wapienie powstałe z osadów węglanu wapnia rozpuszczonego w wodzie morskiej (wapienie oolitowe, wapień litograficzny) lub osadzone przez gorące źródła (martwica wapienna).

Skały wapienne stanowią jedne z najbardziej rozpowszechnionych skał osadowych. Mają szerokie zastosowanie, jako kamienie budowlane, do wyrobu wapna palonego, cementu portlandzkiego, szkła i in. Zmielone stanowią nawóz sztuczny.

Margle. Złożone są głównie z węglanów wapnia z dużą domieszką minerałów ilastych i piasku. Zależnie od udziału tych składników w skale rozróżnia się: wapień marglisty, margiel (50% do 70% CaCO3, reszta minerały ilaste} margiel ilasty, margiel piaszczysty. Stosowany jest w przemyśle budowlanym i chemicznym (nawozy sztuczne).

Sól kamienna. Jest skałą jednomineralną. Składa się głównie z halitu (NaCl) z domieszkami gipsu, anhydrytu, soli potasowych i innych. Stanowi osady chemiczne wytrącone z wody morskiej lub jeziornej. W podobnych warunkach powstają skały gipsowe i anhydrytowe.

Sole potasowo-magnezowe. Złożone są zazwyczaj z jednej lub więcej soli potasowych lub potasowo-magnezowych i halitu lub anhydrytu.

Skały siarkowe. Powstają w wapieniach przez osadzanie się siarki rodzimej, na drodze chemicznej, przy współudziale bakterii. W skałach tego typu obok kalcytu i siarki, której ilość może dochodzić do 50% wagowo, mogą występować mniejsze ilości minerałów ilastych, limonitów, a także bituminów. Wapienie siarkonośne są głównym dostarczycielem siarki i stanowią obecnie do 90% jej światowego wydobycia.

Fosforyty. Stanowią skały lub konkrecje zawierające fosforany wapnia (15 do 40% P205 wagowo) w osadach piaszczystych, ilastych lub wapiennych. Zmielone stanowią cenny nawóz fosforowy.

a.   Skały osadowe pochodzenia organicznego.

Zostaną omówione obszernie w następnym rozdziale.

5.    Skały metamorficzne, czyli przeobrażone

 Skały osadowe lub magmowe, które wskutek ruchów górotwórczych dostały się w głębsze warstwy skorupy ziemskiej, ulegają metamorfozie, czyli przeobrażeniu. Przeobrażenie następuje pod wpływem panującej na dużych głębokościach wysokiej temperatury, wysokiego ciśnie oraz działania gorących wód i gazów wydobywających się z magmy. Skały magmowe uzyskują strukturę łupkową uwarstwioną, a skały osadowe krystaliczną (łupki krystaliczne). W czasie przeobrażenia może ulec zmianie skład mineralny iskały pierwotnej. Skały przeobrażone cechują się brakiem porowatości.

Najbardziej znanymi i pospolitymi skałami metamorficznymi są gnejsy, łupki krystaliczne, marmury i kwarcyty.

Gnejsy. Stanowią skały przeobrażone powstałe ze skal głębinowych, a więc granitów, sjenitów, diorytów lub ze skał osadowych, głównie piaskowców. Ich skład chemiczny zbliżony jest do składu chemicznego skały pierwotnej. Główne składniki mineralne są te same, a więc skalenie, łyszczyki, kwarc lub amfibole, a także w małych ilościach chloryt, granat, turmalin, grafit i in.

Gnejsy są mniej wytrzymałe i mniej odporne na wietrzenie niż skały magmowe, dlatego też tylko niektóre z nich Są używane jako materiał budowlany i drogowy.

Łupki krystaliczne. Powstały z przeobrażenia skał magmowych i osadowych. Cechują się wyraźną budową łupkową i drobniejszym uwarstwieniem. Dają się dzielić na cienkie płytki.

Zależnie od dominującego minerału wyróżnia się:

łupki kwarcytowe, używane jako naturalny materiał ogniotrwały do wykładania pieców przemysłowych, do zapraw i mas ceramicznych;

łupki talkowe, złożone głównie z łusek talku (minerał będący uwodnionym glinokrzemianem magnezu); stanowią surowiec do pozyskania talku używanego w przemyśle ceramicznym do wyrobu tygli i glazur oraz w przemyśle papierniczym i gumowym, a także łupki mikowe, chlorytowe, grafitowe i in.;

łupki serycytowe, skała metamorficzna powstała z niewielkiego przeobrażenia łupka ilastego bądź mułowca w warunkach niskich temperatur (200–400°C) i niezbyt wysokich ciśnień.

Marmur. Powstał z przekrystalizowania wapienia. Złożony jest przeważnie z krystalicznego kalcytu, ale może zawierać piroksen, granat, plagioklaz, kwarc i in. Barwa biała, szara, różowa, zielonkawa lub czarna. Daje się łatwo obrabiać i polerować. Używany jest jako ozdobny materiał budowlany, tworzywo rzeźbiarskie, a również jako surowiec w przemyśle szklarskim i chemicznym.

Kwarcyty. Powstały głównie z przekrystalizowania piaskowców krzemionkowych. Składają się prawie wyłącznie z drobnych i średnich ziarn kwarcu. Barwa biała, szara, żółtawa, czerwona lub czarna. Są zwięzłe, twarde i odporne na czynniki atmosferyczne oraz chemiczne. Używane są, jako materiał drogowy i budowlany, a również do wyrobu materiałów ogniotrwałych i kwasoodpornych.

6.    Znaki umowne skał

Na mapach geologicznych w celu oznaczenia rodzajów skał stosuje się umowne znaki graficzne przedstawione  na tabeli nr 1.

 

Tabela 1: Wybrane umowne oznaczenia skał

Piasek

Piaskowiec

Żwir

Glina

Wapień

Dolomit

Iłowiec

Kawerna w wapieniu

Iłowiec wapnisty

Margiel

Łupek

Wapień ilasty

Łupek węglowy

Gips

Węgiel

Sól kamienna

Syderyt

Marmur

Granit

Kwarcyt

Gabra

Łupek serycytowy (przeobrażony)

Tufy

II. Węgle kopalne

1.    Powstanie węgli kopalnych i ich podział

Węgle kopalne są skałami palnymi, w których obok głównego składnika węgla (pierwiastka C) występują: tlen, wodór oraz niewielkie ilości siarki, azotu i niepalnych substancji mineralnych, do których zalicza się minerały ilaste oraz siarczki, siarczany i węglany żelaza pozostające po spaleniu, jako popiół.

Węgle kopalne są skałami osadowymi pochodzenia organicznego, głównie roślinnego. Świadczą o tym odciski liści, kory i pędów, skamieniałe pnie drzew oraz ślady korzeni w skałach sąsiadujących bezpośrednio z pokładami węgla

W zależności od rodzaju materiału organicznego wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje węgli kopalnych: węgle humusowe i węgle sapropelowe.

a.   Węgle humusowe.

Powstały ze szczątków roślin lądowych. W okresie karbonu roślinność tę stanowiły potężne drzewiaste widłaki, skrzypy i paprocie. Porastały one tereny podmokłe, bagienne, podobne do obecnych torfowisk. Obumarłe szczątki roślinne opadały w bagno, gromadziły się na dnie tworząc podłoże, na którym wyrastała nowa roślinność. Tym sposobem następowało gromadzenie materiału organicznego trwające tak długo, jak długo istniały korzystne warunki dla wzrostu roślinności. Zgromadzony materiał organiczny zanurzony w bagnie ulegał przy słabym dopływie powietrza powolnemu rozkładowi, głównie wskutek działania mikroorganizmów, bakterii i grzybów. W miarę zmniejszania się dopływu powietrza następowało najpierw butwienie, potem gnicie, wreszcie torfienie, będące powolnym rozkładem węglowodanów zawartych w substancji roślinnej i przetwarzaniem produktów ich rozkładu w bogatsze w węgiel ciała humusowe. W efekcie następowało powolne wzbogacenie roślinnej substancji organicznej w węgiel, azot i części niepalne — powstawał torf.

Opisany powyżej okres tworzenia się złóż węglowych był okresem, w którym decydujące znaczenie w przetworzeniu substancji roślinnej miały mikroorganizmy. Dlatego też ta pierwsza faza tworzenia się złóż węglowych nazywa się fazą biochemiczną.

Obniżenie terenów bagiennych osadzenie się na powstającym złożu węglowym osadów Piaszczystych lub ilastych Spowodowało zniszczenie mikroorganizmów Od tej pory znajdująca się już na pewnej głębokości masa organiczno-mineralna ulegała dalszym przemianom, głównie pod wpływem temperatury i ciśnienia. Rozpoczęła się druga faza tworzenia się złoża węglowego faza geochemiczna Zachodzące w niej reakcje chemiczne prowadzą do zubożenia substancji organiczno-mineralnej w wodór, azot i tlen, a wzbogacają w węgiel. Proces ten nosi nazwę uwęglenia.

Na stopień uwęglenia wpływa przede wszystkim temperatura i ciśnienie; ze wzrostem ich uwęglenie wzrasta. Ponieważ czynniki te wzrastają z głębokością, dlatego węgle zalegające na głębokościach większych są silniej uwęglone.

Tereny obecnych zagłębi węglowych ulegały wielokrotnie obniżeniom i wypiętrzeniom w czasie wypiętrzeń, kiedy teren był lądem, następował na nim rozwój roślinności i gromadzenie materiału organicznego. Obniżenie i zalanie go przez morze powodowało osadzanie się iłów oraz piasków, z których następnie powstawały łupki i piaskowce. Wielokrotne powtórzenie wypiętrzeń i obniżeń spowodowało powstanie szeregu pokładów węglowych naprzemian z warstwami innych skał osadowych, głównie piaskowców oraz łupków.

Zależnie od stopnia uwęglenia odróżnia się następujące węgle kopalne: torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny i antracyt. Ich dane charakterystyczne zamieszczono w tabeli.

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela 2. Dane charakterystyczne węgli

¾   Torf

Stanowi skałę osadową złożoną z masy organicznej i mineralnej znajdującą się w pierwszym stadium uwęglenia. Masa ta nasycona jest wodą. W stanie naturalnym ma barwę brunatną, niekiedy czarną. Zależnie od materiału roślinnego rozróżnia się torf drzewny, turzycowy, trzcinowy, mszysty i inny.

¾   Węgiel brunatny

Stanowi węgiel kopalny zawierający 65 do 78% pierwiastka węgla. Barwę ma brunatną lub czarną. Odmiany czarne różnią się od węgla kamiennego rysą, która z węgla brunatnego jest zawsze brunatna, a z węgla kamiennego czarna.

¾   Węgiel kamienny

Stanowi węgiel kopalny zawierający 78 do 92% pierwiastka węgla. Ma barwę czarną. Jest zwarty, jego twardość wynosi 2,0 do 2,5, a gęstość od 1,16 do 1,6 g/cm3 (średnia 1,3 g/cm3). Ma budowę niejednorodną. Można wyróżnić w nim cztery odmiany petrograficzne różniące się od siebie wyglądem, składem i właściwościami. Są to: witryt, klaryt, fuzyt i duryt. Występują w każdym węglu kamiennym, jakkolwiek w niejednakowych proporcjach.

Witryt stanowi węgiel bezpostaciowy, błyszczący, czarny, o szklistym połysku i muszlowym przełamie. Jest bardzo kruchy. Występuje w postaci cienkich warstewek i soczewek pomiędzy warstewkami innych odmian, od których łatwo się oddziela.

Klaryt jest węglem półbłyszczącym, bezpostaciowym, z małą zawartością tkanki drzewnej. Jest twardszy niż witryt. Barwę ma czarną, rysę brunatną lub czarną. Występuje w postaci grubych warstw, stanowiąc niejednokrotnie przeważającą część pokładu węglowego.

Fuzyt ma strukturę włóknistą, połysk jedwabisty, barwę ciemnoszarą, brunatną lub czarną. Jest bardzo kruchy, łatwo rozpada się na pył, a przy dotknięciu brudzi palce. Zawiera dobrze zachowane komórki roślin widoczne pod mikroskopem. Występuje w pokładach węgla w postaci cienkich warstewek.

Duryt stanowi węgiel matowy, twardy, o barwie ciemnoszarej bez połysku, przełam muszlowy. Zawiera szczątki roślinne widoczne pod mikroskopem. Występuje w postaci cienkich warstewek między warstewkami innych odmian petrograficznych.

b.   Węgle sapropelowe

Powstały w wodach stojących ze szczątków roślin wodnych, głównie glonów. Osady z nich powstałe z domieszką resztek organizmów zwierzęcych gromadziły się na dnie zbiorników wodnych tworząc gnijący muł, tzw. sapropel. Materiał ten, zawierający również tłuszcze, ulegał w sprzyjających warunkach procesom uwęglenia podobnie jak materiał drzewny tworząc węgiel.

Węgle sapropelowe rzadko tworzą samodzielne pokłady. Przeważnie występują w postaci ławic i przerostów towarzysząc węglom humusowym Mają strukturę zbitą, są zwięzłe, mają połysk matowy i przełam muszlowy.

Wyróżnia się wśród nich:

Kennel podobny do łupku i zawierający dużą ilość części lotnych;

Boghed podobny do kennela, lecz zawierający więcej ciężkich węglowodorów

Gagat błyszczący i czarny, łatwy do szlifowania.

2.    Własności węgli kopalnych

Do własności chemicznych i fizycznych mających znaczenie w użytkowaniu węgli kopalnych należą; zawartość wilgoci, popiołu oraz części lotnych, wartość opałowa, skład chemiczny i własności koksownicze, głównie spiekalność.

a.   Zawartość wilgoci

Każdy węgiel brunatny i kamienny zawiera pewną ilość wody, która nazywa się wilgocią. Wilgoć całkowitą stanowi całkowita ilość wody zawarta w węglu tuż po jego urobieniu. Wysuszony w temperaturze pokojowej węgiel nosi nazwę węgla powietrznosuchego. Wilgoć usunięta z niego nazywa się wilgocią przemijającą a pozostała wilgocią analityczną.

b.   Zawartość popiołu

Popiół stanowią składniki mineralne pozostałe po spaleniu węgla kopalnego. Zawartość popiołu wyraża się procentach w stosunku do masy węglowej powietrzno suchej.

c.   Zawartość części lotnych

Określa się w procentach, jako część bezwodnej masy węgla, która podczas prażenia bez dostępu powietrza przechodzi w stan lotny. O ilości części lotnych świadczy długość płomienia palącego się węgla. Im więcej części lotnych, tym płomień dłuższy. W związku z tym węgle zawierające znaczne ilości części lotnych nazywa się długopłomienne.

d.   Wartość opałowa

Przydatność węgla do celów energetycznych ocenia się przede wszystkim na podstawie jego ciepła spalania i wartości opałowej. Ciepło spalania jest to cała ilość ciepła powstała przy spaleniu 1 kg węgla. Ilość tę pomniejszoną o ciepło parowania wody wydzielonej z węgla w czasie spalania nazywa się wartością opałową i wyraża się w kJ/kg lub MJ/kg.

e.   Spiekalność

Najważniejszą cechą odróżniającą węgle koksowe od niekoksowych jest spiekalność. Węgiel określa się, jako spiekamy, jeśli ogrzany szybko bez dostępu powietrza do temperatury 500°C daje pozostałość spieczoną nie rozsypującą się.

3.    Klasyfikacja węgla kamiennego

Zależnie od uwęglenia rozróżnia się węgle płomienne, gazowe, koksownicze i antracyty. Norma Polska wyróżnia dziesięć typów węgla kamiennego oznaczonych liczbami. W tablicy 3 przedstawiono typy węgla kamiennego oraz podano ich ogólną charakterystykę i główne zastosowanie.

 

 

Tabela 3. Typy węgla kamiennego

 

Ponadto węgiel kamienny klasyfikuje się według wielkości ziaren. Klasyfikację tę omówimy w następnych rozdziałach

Węgiel o wyższej wartości opałowej oraz niższej zawartości popiołu uzyskuje wyższą cenę. Węgiel urobiony ze złoża, zwany węglem surowym, poddaje się procesom przeróbczym, mającym na celu uzyskanie możliwie najlepszego węgla przeznaczonego na sprzedaż, czyli węgla rynkowego.

4.    Grupa bituminów

Bituminy stanowią naturalne mieszaniny węglowodorów występujące w skorupie ziemskiej w stanie ciekłym i gazowym. Powstały prawdopodobnie z materiału organicznego roślinnego lub zwierzęcego. Bituminy tworzą złoża ropy naftowej, gazu ziemną, asfaltu oraz stanowią składniki skał bitumicznych (łupki bitumiczne).

Ropa naftowa. Stanowi ona ciekłą, kopalną mieszaninę węglowodorów niekiedy z domieszką związków siarki, tlenu i azotu. Barwa jej jest żółtobrunatna, zielonkawa lub czarna, wyjątkowo jest bezbarwna lub przezroczysta. Gęstość 790 do 930 kg/m3. Wartość opałowa 39 000 do 48 000 kJ/kg.

Gromadzi się głównie w skałach porowatych, sypkich lub silnie spękanych, przeważnie piaskach, piaskowcach, dolomitach i wapieniach.

Gaz ziemny. Stanowi on mieszaninę lotnych węglowodorów z domieszką dwutlenku węgla, tlenu i azotu, niekiedy helu. Rozróżnia się dwa rodzaje gazu ziemnego: gaz suchy złożony głównie z metanu (ponad 90% CH4) i gaz mokry zawierający obok metanu również inne węglowodory (etan, propan, butan). Wartość opalowa gazu ziemnego wynosi ponad 35 000kJ/m3.

Asfalt naturalny. Stanowi on mieszaninę ciężkich bituminów z domieszką kwarcu, minerałów ilastych, niekiedy kalcytu.

Łupki bitumiczne. Są to łupki ilaste lub margliste zawierające bituminy. Produktem ich destylacji są: gaz i olej łupkowy zbliżony własnościami do ropy naftowej.

III. Geologia dynamiczna

Geologia dynamiczna - zajmuje się wszelkimi zjawiskami zachodzącymi zarówno na powierzchni skorupy ziemskiej jak i w głębi. Bada ona między innymi ruchy górotwórcze, trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów, działalność wód płynących, lodowców, mórz, atmosfery, oraz odtwarza dawne środowiska.

1.    Procesy geologiczne

 Procesy geologiczne - jest to ogół zjawisk zachodzących w obrębie skorupy ziemskiej prowadzących do zmiany jej powierzchni. Zjawiska te mogą zachodzić szybko jak np. trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów, osuwiska, lub wolno, niedostrzegalnie np. sedymentacja osadów w morzach czy ruchy górotwórcze.

 Procesy geologiczne zachodzące na Ziemi są związane z istnieniem energii, która może przybierać różne formy: ciepła, światła, ruchu. Ich źródłem na Ziemi jest energia cieplna Słońca oraz energia wewnętrzna Ziemi.

Energia pochodząca od Słońca odpowiada za wiatry, opady, ruch fal i prądów, ruch lodowców itp.

Energia wewnętrzna Ziemi za procesy górotwórcze, lądotwórcze, trzęsienia ziemi, wulkanizm itp. Na podstawie takiej zależności procesy dzielimy na dwie grupy:

¾    procesy egzogeniczne - zachodzące dzięki działaniu sił zewnętrznych (energia Słońca i księżyca)

¾    procesy endogeniczne - zachodzące dzięki działaniu sił wewnętrznych (energia Ziemi)

Działanie obu sił powoduje, to że na Ziemi mamy zróżnicowaną rzeźbę terenu. Czynniki zewnętrzne dążą do zniszczenia wyniosłości terenu i zrównania powierzchni, a czynniki wewnętrzne do jej wypiętrzenia. Niszcząca działalność procesów egzogenicznych określana jest mianem denudacji. Procesy egzogeniczne powodują także transport materiału przez rzeki, lodowce, prądy morskie i gromadzenie ich w miejscach położonych niżej (zbiorniki wodne, morza, oceany) czyli tzw. akumulację.

2.    Działalność powietrza i wód powierzchniowych

a.   Procesy wietrzenia

Przez proces wietrzenia rozumie się rozpad mechaniczny i rozkład chemiczny skał pod wpływem działania ciepła słonecznego, powietrza, wody i organizmów żywych. Wietrzenie odbywa się w skałach występujących na powierzchni skorupy ziemskiej i obejmuje tylko zewnętrzną cienką ich warstwę zwaną jest strefą wietrzeniową

W zależności od czynników powodujących wietrzenie odróżnia się wietrzenie:

— fizyczne

— chemiczne.

Wietrzenie fizyczne, zwane również mechanicznym, odbywa się głównie pod działaniem znacznych różnic temperatur dnia i nocy występujących w skalistych terenach pustynnych i górskich. Nagrzanie oraz rozszerzanie się powierzchniowej warstwy skał. W ciągu dnia i kurczenie się jej w ciągu nocy przy stałej temperaturze warstw głębszych powoduje powstanie naprężeń wywołujących łuszczenie się skały na jej powierzchni oraz powstanie spękań.

Drugim czynnikiem fizycznym obok temperatury jest działalność wody. Charakterystyczną właściwością wody jest jej zdolność do znacznej zmiany objętości w trakcie zamrażania. Migrujące wody w szczelinach skalnych czy porach, pod wpływem temperatury zamarzają, zwiększają objętość i rozsadzają skały od zewnątrz. Takie wietrzenie jest możliwe, gdy zachodzi często zmiana temperatury w okolicach zera stopni, takimi rejonami są przede wszystkim góry, a także tereny położone na północy.

Skały mogą być rozsadzane od wewnątrz nie tylko przez lód, ale także przez krystalizujące sole. Czasami wody w szczelinach i porach skał są nasycone różnymi związkami chemicznymi, które z czasem krystalizują. Pod wpływem ciśnienia wywieranego przez rosnące kryształy, szczeliny rozszerzają się, a także powstają nowe spękania i skała dzieli się na mniejsze bloki.

Podobnie ma się sprawa z korzeniami drzew i innych roślin - czynnik biologiczny, które rosnąc wywierają nacisk na szczeliny skalne i ich poszerzanie.

Wietrzenie chemiczne jest wynikiem procesów chemicznych powodujących rozkład i zmiany chemiczne skał oraz minerałów wystawionych na działanie wody i rozpuszczonych w niej gazów, głównie tlenu oraz dwutlenku węgla. Ponieważ wietrzenie chemiczne przebiega głównie przy udziale wody, dlatego też przebiega ono głównie w klimacie wilgotnym i gorącym.

Do zasadniczych procesów wietrzenia chemicznego zalicza się:

Utlenianie. Polega na przemianie związku beztlenowego w tlenowy albo na przejściu związku z niskiego stopnia utlenienia na wyższy.

Rozpuszczanie. Jest to całkowite lub częściowe przejście minerału do roztworu.

Hydroliza. Jest procesem chemicznym w którym bierze udział woda zdysocjowana (np. w postaci H+). Tak np. wietrzeją skalenie i powstają minerały ilaste.

Kaolinizacja - działanie chemiczne wody + CO2 na skalenie, produktem przemiany jest minerał ilasty – kaolinit.

b.   Działalność wiatru

 Wiatr w zależności od swej prędkości może porywać i przenosić nawet na duże odległości drobne ziarna skalne (np. pyły, wulkaniczne popioły, powstałe z wietrzenia piaski), a nawet żwir, który toczy po powierzchni ziemi. Porywanie ziarn skalnych z powierzchni pustyni powoduje obniżenie jej powierzcbni. Poza tym wiatr niszczy skały, uderzając w nie niesionymi ziarnami piasku. Unoszone i toczone po powierzchni ziarna skalne osadzają się po napotkaniu jakiejś przeszkody, którą może być roślina, kamień lub wzniesienie terenu. W miejscu tym urasta charakterystyczny pagórek piaszczysty, zwany wydmą. Wydmy powstają na obszarach, gdzie wieją silne wiatry oraz istnieje skąpa roślinność, a więc na pustyniach i plażach morskich.

Osadem powstałym przez działanie wiatru jest less — urodzajna gleba powstała z nawianego pyłu kwarcowego i wapiennego. W Polsce grube osady lessu występują na obszarach Wyżyny Sandomierskiej i Lubelskiej.

c.   Działalność geologiczna wód powierzchniowych

W działalności tej można wyróżnić:

— działalność niszczącą skały tworzące powierzchnię Ziemi, czyli erozję,

— transport materiału skalnego powstałego ze zniszczonych skał,

— osadzanie transportowanego materiału.

Działalność niszczącą wykonuje już deszcz, którego krople rozmywają i spłukują glebę. Spłukiwanie to jest tym bardziej intensywne, im większe jest nachylenie terenu. Czasami większe opady deszczu mogą prowadzić do osunięcia zbocza. Spływające po zboczach górskich strumienie podmywają brzegi i unoszą z sobą powstały z ich osunięcia materiał skalny, który przetaczany po dnie ścierają swoje krawędzie, tworząc otoczaki. Z biegiem rzeki otoczaki stają się coraz mniejsze, a materiał powstały z ich kruszenia transportowany jest dalej jako żwir, piasek i muł.

Erozja jest najsilniejsza w górnym biegu rzeki, słabsza w jej biegu średnim, a najsłabsza w biegu dolnym. Przy ujściu rzeki do morza zaczyna się osadzanie. Osadzane przez rzeki żwiry, piaski i muły mogą z czasem ulec procesowi cementacji oraz stwardnieniu i wtedy powstają z nich skały, a więc odpowiednio zlepieńce, piaskowce oraz łupki.

d.   Działalność lodowców

W okolicach podbiegunowych i w wysokich górach ważnym czynnikiem kształtującym powierzchnię Ziemi są lodowce. Istnieją one tam, gdzie ilość opadów jest dostatecznie duża, a średnia roczna temperatura jest tak niska, że niecała ilość opadającego śniegu ulega stopnieniu. Granicę, powyżej której zjawisko to występuje, nazywa się linią albo granicą wiecznego śniegu. Na zboczach łagodnych, płaskowyżach, a zwłaszcza w zagłębieniach górskich śnieg gromadzi się w coraz to większych ilościach, który stopniowo zamienia się w lód lodowcowy. Dalsze opady śniegu powodują zwiększanie masy lodu, który pod wpływem ciśnienia spełza w dół, poniżej granicy wiecznych śniegów, tworząc jęzor lodowcowy. Zatrzymanie jęzora lodowcowego następuje niżej, gdzie temperatury są wyższe.

Lodowiec niesie ze sobą gruz skalny, powstały z wietrzejących skał zboczy górskich, oraz wyrwany z dna wąwozu, którym posuwa się jęzor lodowcowy. Materiał ten, zwany moreną, może być unoszony na powierzchni lodowca (morena brzeżna i środkowa), wewnątrz lodowca (morena wewnętrzna) i po dnie (morena denna). Schematycznie pokazano to na rysunku 1.

Rys. 1 Rozmieszczenie materiału morenowego niesionego przez lodowiec górski (przekrój poprzeczny)

1 — morena boczna,

2 — morena środkowa,

3 — morena wewnętrzna,

4 — morena denna,

5 — stół lodowcowy

W epokach ubiegłych podobne lodowce kontynentalne zalegały obszary północnej i środkowej Europy. Na terenie Polski aż po Karpaty i Sudety można obserwować ślady ich obecności. Szczególnie wyraźnie występują w Polsce północnej, a zwłaszcza na Pojezierzu, w postaci jezior polodowcowych, pagórków morenowych, żwirów i głazów narzutowych.

3.    Wody podziemne

Hydrosfera obejmuje całkowitą wodę występującą na Ziemi, a więc wodę zawartą w morzach, oceanach, wodach stojących, płynących na lądzie, lód zawarty w lodowcach, parę wodną zawartą w atmosferze, a także wody podziemne.

Pod wpływem ciepła słonecznego następuje parowanie wody na wszystkich jej powierzchniach. Powstałe w atmosferze chmury w sprzyjających warunkach dają opady atmosferyczne. Spadająca na powierzchnię Ziemi woda częściowo paruje, a częściowo spływa po powierzchni tworząc strumienie oraz rzeki, te znów spływają do mórz i oceanów, gdzie następuje ponowne jej parowanie. Opisane zjawiska stanowią pewien cykl zamknięty i określa się je jako krążenie wody w przyrodzie.

Wody podziemne. Powstają przeważnie z opadów atmosferycznych, których część napotkawszy przepuszczalne skały (piaski, żwiry, skały porowate, popękane, szczelinowate) przenika w głąb ziemi. Napotykając skały nieprzepuszczalne (iły, gliny, łupki), woda gromadzi się nad nimi jako tzw. woda gruntowa, Górna powierzchnia jej zasięgu nazywa się zwierciadłem albo poziomem wody gruntowej. Jeśli zwierciadło wody gruntowej leży blisko powierzchni ziemi i nie jest chronione od zmian temperatury i zanieczyszczenia, woda taka nazywa się wodą zaskórną.

Do warstw głębszych woda może przenikać przez:

— warstwy przepuszczalne wychodzące na powierzchnię,

— szczeliny uskoków wodonośnych,

— pojedyncze szczeliny w skałach, czyli tzw. żyły wodne.

Warstwy przepuszczalne wypełnione wodą stanowią warstwy wodonośne. Obecność ich, jak również obecność uskoków wodonośnych i żył wodnych, stanowi duże zagrożenie dla kopalń, gdyż nagłe wdarcie się wody do wyrobisk górniczych może spowodować katastrofalne skutki.

Prowadzenie robót górniczych oraz pozostawienie pustek po wybraniu kopaliny użytecznej powoduje powstanie dodatkowych szczelin w górotworze, mogących sięgnąć do warstw wodonośnych i żył wodnych, a nawet do zbiorników oraz wód powierzchniowych. Stare zroby, nieczynne zaniechane wyrobiska górnicze, mogą wypełnić się wodą tworząc podziemne zbiorniki wodne. Szczególnie niebezpieczne są zbiorniki wodne, w których woda spiętrzona jest na dużą wysokość i ma duże ciśnienie hydrostatyczne. Należą tu zawodnione szyby, szybiki i otwory wiertnicze. Podziemne zbiorniki wodne, warstwy wodonośne, uskoki i żyły wodzie oraz wszelkie możliwości wdarcia się wód powierzchniowych i podziemnych do kopalń muszą być dokładnie rozeznane i udokumentowane.

 

Zebrał i opracował: Czesław Zając

 

 

Bibliografia:

-Bielewicz. T, Prus B., Górnictwo, Wydawnictwo Śląsk 1984 r.

- Chudek M., Wilczyński S., Żyliński R., Podstawy górnictwa, Wydawnictwo Śląsk 1977 r.

- Poradnik górnika, Wydawnictwo Śląsk 1972 r.

- Bielewicz. T, Prus B., Honysz J. Górnictwo, Wydawnictwo Śląsk 1993 r.

- Zarys nauki o złożach, Wydawnictwo Geologiczne - Warszawa 1964 r.

-  Gradziński R., Kostecka A., Radomski A., Unrug R., - Zarys sedymentologii. Warszawa. Wydawnictwa Geologiczne. 1986

-  Jaroszewski W., Marks L., Radomski A., - Słownik geologii dynamicznej. Warszawa. Wydawnictwa Geologiczne. 1985