Temat 7: Podstawowe wiadomości z petrografii.

7.1: Pojęcie skał, ich budowa, powstanie i podział.

Skała jest naturalnym zespołem minerałów wchodzących w skład skorupy ziemskiej, powstałym przez działanie określonych czynników geologicznych. Nauka o skałach, ich własnościach fizycznych i chemi­cznych, ich powstaniu oraz występowaniu w skorupie ziemskiej nazywa się petrografią.

Skały mogą być:

- zwięzłe (piaskowce, granity),

- plastyczne (gliny, iły),

- sypkie (piaski, żwiry),

- półciekłe lub ciekłe (kurzawka, ropa naftowa).

O istocie skały decydują:

- skład mineralny,

- struktura, czyli stopień wykrystalizowania poszczególnych mi­nerałów; a więc wielkość i kształt kryształów,

- rozmieszczenie poszczególnych minerałów w skale.

Skały mogą być utworzone tylko z jednego minerału (np. skały wapienne) i wtedy określa się je jako skały proste lub też złożone z wielu minerałów i wtedy nazywają się skałami złożonymi.

Wyróżnia się tzw. istotne składniki mineralne decydujące o istocie skały oraz składniki nieistotne stanowiące domieszki; np. w granicie składniki istotne stanowią: kwarc, skaleń i mika.

Niektóre minerały cechują się wspólnym występowaniem w skałach. Przykładem tego
jest.np. współwystępowanie kruszców cynku i ołowiu. Obecność pewnych minerałów w skale wyklucza obecność innych, np. obecność oliwinu wyklucza obecność wolnej krzemionki. Poznanie prawidłowości współwystępowania w skałach jest szczególnie pomocne w poszukiwaniach geologicznych złóż.

Temat: 7.2. Powstanie skał i ich podział

Ze względu na pochodzenie skały dzieli się na trzy grupy:

- magmowe,

- osadowe,

- przeobrażone, czyli metamorficzne.

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 krystalizacja wszystkich minerałów przebiegała równomiernie. Typową skalą głębinową jest granit. Skały wylewne powstawały z magmy zastygłej na powierzchni ziemi albo płytko pod jej powierzchnią. Krzepniecie magmy odbywało się szybko i równomiernie. W takich 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 skalą dla niej jest porfir. W przypadkach bardzo szybkiego krzepnięcia magmy powstają struktury szkliste, w których zakrzepła masa skalna przedstawia się jak szkliwo.

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

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

Osady mechaniczne stanowią kruchy skał magmowych lub osado­wych o rożnych wielkościach, przetransportowanych 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 z nagroma­dzonych szczątków roślinnych (np. węgle kopalne) lub zwierzęcych (kreda i niektóre wapienie).

Główną cech 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.

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 ciśnienia 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 skały pierwotnej. Skały przeobrażone cechują się brakiem porowatości.

Temat: 7.3. Skały magmowe i metamorficzne.

Najważniejszymi skałami magmowymi głębinowymi są: granit, sjenit, gabro, a skałami magmowymi wylewnymi: porfir, trachit, melafir, diabaz i bazalt. Ich minerały skałotwórcze to: skalenie, kwarc, łyszczyki, a również oliwiny, pirokseny i amfibole.

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 granitow biotytowych, muskowit - granitów muskowitowych. Barwa granitu zależy od barwy skalenia i może być biała, różowa lub ciemnoszara. Gęstość granitu wynosi 2,7 t/m³. 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, biała lub szara. Występuje przeważnie z granitem. Używany jest jako kamień drogowy i budowlany.

Gabro. Zawiera krzemionki około 50%. Strukturę ma gruboziar­nistą. Skład mineralny stanowią: plagioklazy, pirokseny, często oliwin, rzadziej amfibol. Barwa czarna, szara lub zielonkawa.

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 przełamie szorstki.

Trachit zwyczajny. Składem chemicznym zbliżony do sjenitu, ale 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 i 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 skalą wylewną. Skład mineralny zbliżony do gabra, ale strukturę ma skrytokrystaliczną lub porfirową. Bazalty występują w postaci wielobocznych - najczęściej pięcio- lub sześcio­bocznych słupów, 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.

Temat: 7.4. Skały osadowe.

7.4.1. Skały osadowe pochodzenia mechanicznego, czyli skały okruchowe.

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

- skały gruboziarniste o ziarnach powyżej 2 mm; nalezą tu gruzy, żwiry, zlepieńce;

- skały średnioziarniste złożone z ziaren 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 skał ilastych nalezą: kaolin, glina, łupki ogniotrwale i łupki ilaste.

Gruzy i żwiry. Stanowią zbiorowiska luźnych (niespojonych) ziaren 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 scementowanych lepiszczem krzemionkowym, wapiennym lub ilastym. Znajdują zastosowanie jako kamień budow­lany i ozdobny (zwłaszcza zlepieńce eksploatowane w rejonie Chęcin).

Piaski. Stanowią skałę luźną, średnioziarnistą, złożoną najczęściej z ziaren kwarcowych. Domieszkę stanowić mogą ziarna skaleni, mine­rałów ilastych, wapienia, rud żelaza i in. Nazwą piaski kwarcowe określa się piaski zawierające ponad 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). Górnictwo węglowe zużywa duże ilości piasków do podsadzania wyrobisk górniczych. Są to piaski podsadzkowe.

Piaskowce kwarcowe. Są skałami zwięzłymi, powstałymi z ziaren piasku kwarcowego scementowanych 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, krawężnik itp.

Arkozy. Mają strukturę podobną do piaskowca, ale zawartość kwarcu jest w nich 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 metrów, często z głębokimi spękaniami pionowymi.

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 skałami 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 montmorillonit. 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.

Temat: 7.4.2. 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 mas izolacyjnych i do wyrobu dynamitu.

Boksyty. Stanowią skałę ilastą osadową powstałą w wyniku wietrzenia chemicznego skał glinokrzemianowych. Główny ich składnik to tlenek glinu (A1₂0₃), 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, 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 kamień budowlany, 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% CaC0₃, 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. Stanowią 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% P₂O₅ wagowo) w osadach piaszczystych, ilastych lub wapiennych. Zmielone stanowią cenny nawóz fosforowy.

Temat: 7.5. Skały metamorficzne

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

Gnejsy. Stanowią skały przeobrażone powstałe ze skał 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 R te same, a więc skalenie, łyszczyki, kwarc lub amfibole, a także w małych ilościach chloryt, granat, turmalin, grafit i in.

Zależnie od składników charakterystycznych wyróżnia się gnejsy amfibolowo-biotytowe, muskowitowe, granatowo-mikowe, grafitowe i in. Są drobno-, średnio-, rzadziej gruboziarniste. Większość ich wykazuje uwarstwienie, niekiedy wyraźne. Gnejsy są mniej wytrzymale i mniej odporne na wietrzenie niż skały magmowe, dlatego tez 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 głownie 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;

- łupki filitowe, złożone z kwarcu i miki; używane są do krycia dachów i układania posadzki;

- a także łupki mikowe, cblorytowe, grafitowe i in.

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 ziaren 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 kwasoodpornych.

Temat: 7.6. Węgle kopalne.

7.6.1. Powstanie węgli kopalnych i ich podział.

Węgiel kopalny stanowi skałę palną, w której 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 (rys. 7.3),

- obserwacje przebiegającego współcześnie powstawania torfu uważanego za najmłodszy węgiel kopalny,

- badania mikroskopowe węg1i kopalnych ujawniające w nich ślady budowy tkankowej charakterystycznej dla roślin.

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

Węgle humusowe. Powstały ze szczątków roślin lądowych. W okresie karbonu roślinność tą 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.

Torf. Stanowi skałę osadową złożoną z masy organicznej i mineralnej znajdującą się w pierwszym stadium uwęglania. 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 in.

Torf ma zastosowanie w rolnictwie jako domieszka do nawozów naturalnych, jako ściółka dla bydła, a w przemyśle jako surowiec opałowy i do przeróbki chemicznej oraz w medycynie do okładów i kąpieli borowinowych.

Opisany 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 i osadzenie się na powstającym złożu węglowym osadów piaszczystych lub ilastych spowodowało zniszczenie mikroorganizmów. Od tej pory znajdująca się już na pewnej głębokości (niejednokrotnie dość znacznej) 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.

Uwęglenie może odbywać się z różną intensywnością i prowadzi w efekcie do powstania różnych typów węgla kopalnego o rożnym stopniu uwęglenia, które może być silniejsze lub słabsze. 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.

Na uwęglenie duży wpływ ma ciśnienie dynamiczne. W strefach jego działania obserwuje się silniejsze uwęglenie, np. zachodnia część Zagłębia Górnośląskiego. Wybuchy wulkanów, krzepnące intruzje skalne oddziałujące termicznie na tworzące się pokłady węglowe powodowały zwiększenie ich uwęglenia. Na przykład w Zagłębiu Dolnośląskim w sąsiedztwie utworów magmowych obserwuje się znaczny wzrost uwęglenia.

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 na przemian 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 tabl. 7.1.

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.

Rozróżnia się następujące odmiany węgla brunatnego:

- węgiel ksylitowy albo ksylit, cechujący się wyraźnie zachowaną strukturą drewna,

- węgiel miękki ziemisty o nierównym przełamie rozsypujący się po wysuszeniu,

- węgiel twardy o przełamie muszlowym i połysku.

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.

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 roślinne widoczne pod mikroskopem. Występuje w pokładach węgla w postaci cienkich warstewek między warstwami innych odmian.

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.

Witryt, klaryt, fuzyt i duryt występuje w każdym węglu kamien­nym, jakkolwiek w niejednakowych proporcjach.

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 procesowi 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; używany jest do wyrobu przedmiotów ozdobnych.

Kennele używane są przez górników rzeźbiarzy jako tworzywo do wykonywania rzeźb węglowych.

Temat: 7.6.2. Własności fizyczne i chemiczne węgli kopalnych.

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

7.6.2.1. Własności fizyczne.

Do własności fizycznych węgli kopalnych zalicza się: gęstość rzeczywis­tą, gęstość nasypową, kąt zsypu, wytrzymałość na kruszenie i ścieranie.

Gęstość rzeczywista. Zwana też masą właściwą - jest to stosunek masy węgla do jego objętości z pominięciem porów, wyrażony w g/cm^3,

Zasada oznaczenia polega na określeniu masy i objętości danej próbki węgla. Obie te wielkości wyznacza się przez zważenie próbki węgla w powietrzu, a następnie w alkoholu metylowym. Węgle kamienne o zawartości popiołu do kilku procent mają gęstość rzeczy­wistą około 1,3 g/cm; w słabo zapopielonych węglach wartość ta wynosi 1,4 do 1,5 g/cm³.

Gęstość nasypowa. W praktyce ma się do czynienia z węglem lub koksem w postaci mniejszych lub większych brył (ziaren). Jeżeli ziarna takie wsypie się do naczynia, układają się one jedne na drugich, a pomiędzy nimi pozostają puste przestrzenie. Gęstość 1 m³ tak usypanych ziaren węgla lub koksu nosi nazwę gęstości nasypowej.

Gęstość nasypową dla paliw stałych podano w tabl. 7.2.

Kąt zsypu. Substancje ziarniste wysypywane w dostatecznej ilości z pewnej wysokości na jedno miejsce płaskiej, poziomej powierzchni tworzą stożek. Pobocznica takiego stożka jest nachylona do tej powierzchni pod pewnym kątem. Kąt ten jest różny dla różnych ciał i rodzajów uziarnienia, a nazywa się kątem zsypu.

Wynosi on dla:

- węgla brunatnego 35 do 50^o

- węgla kamiennego o uziarnieniu

0 - 0,5 mm 60^o

0 - 10 mm 40 - 43^o

0 - 80 mm 34 - 37^o

10 - 80 mm 30^o

50 - 80 mm 23 - 24^o

80 - 120 mm 10 - 23^o

7.6.2.2. Własności chemiczne

Zawartość wilgoci. Każdy węgiel kamienny i brunatny zawiera pewną ilość wody, którą nazywa się wilgocią. Wilgoć całkowita to cała ilość wody zawarta w węglu tuż po urobieniu. Wilgoć, która uchodzi z węgla przy suszeniu go w temperaturze pokojowej do stałego ciężaru, nazywa się wilgocią przemijającą, pozostała zaś w węglu część wilgo­ci - wilgocią węgla powietrzno-suchego. Wilgoć całkowita to suma wilgoci przemijającej i wilgoci powietrzno-suchej.

Polskie węgle mają następującą naturalną zawartość wilgoci całkowitej w stanie świeżym tuż po urobieniu:

typ węgla 31.1 31.2 32.1 32.2 33 do 41

zawartość wilgoci, % 18 do 23 8 do 16 5 do 8 5 6

Zawartość popiołu. Węgle kopalne, oprócz substancji organicznej węglowej i wody, zawierają też pewną ilość substancji mineralnej składającej się głównie z glinokrzemianów, pirytu, kalcytu i dolomitu.

Podczas spalania węgla substancja mineralna ulega różnym przemia­nom, dając w rezultacie popiół. Zasada metody oznaczania popiołu polega na całkowitym spaleniu i wyprażeniu odważki węgla oraz na zważeniu pozostałości, czyli popiołu. Zawartość popiołu wyraża się w % w stosunku do masy węgla w stanie powietrzno-suchym.

Zawartość części lotnych. Ilość części lotnych stwierdza się przez odgazowanie 1 g węgla ogrzewanego bez dostępu powietrza w tem­peraturze 850°C. Określa się ją 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.

Węgle kamienne humusowe zawierają w substancji suchej bezpopiołowej od 4 do 43% części lotnych, brunatne 45 do 60%, półkoks 4 do 10%, koks 1 do 5%.

Ciepło spalania. 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. Część tą pomniejszoną o ciepło parowania wody wydzielonej z węgla w czasie spalania nazywa się wartością opałową i wyraża się w kJ/kg (w kilodżulach na kilogram masy węgla - patrz tabl. 7.1).

Skład elementarny. Jest to zawartość poszczególnych pierwiastków w węglu suchym. Wyniki analizy elementarnej tych pierwiastków przelicza się na węgiel bezpopiołowy i bezwodny, w celu otrzymania wartości porównawczych dla określenia typów węgli. Typy te podano w tabl. 7.3 według PN-82/G-97002.

Spiekalność. Jest to charakterystyczna cecha pozwalająca na szyb­kie odróżnienie węgli koksowych od nie koksowych. Węgiel określa się jako spiekalny, jeśli ogrzany szybko bez dostępu powietrza do temperatury ponad 500°C daje pozostałość spieczoną, nierozsypującą się. Spiekalność oznacza się w Polsce metodą Rogi (patrz tabl. 7.3).

Temperatura zapłonu. Jest to miara skłonność paliwa do zapalania się. Wzrasta ona ze wzrostem stopnia uwęglenia. Oznacza się ją metodą Jentzoha; dla węgla górnośląskiego wynosi 214 do 230°C.

Temat: 7.6.3. Klasyfikacja węgla kamiennego

Zależnie od uwęglenia rozróżnia się węgle płomienne, gazowe, koksownicze i antracyty. Norma polska PN-82/G-97002 wyróżnia jedenaście typów węgla kamiennego oznaczonych liczbami.

W tablicy 7.3. przedstawiono typy węgla kamiennego oraz podano ich ogólną charakterystykę i główne zastosowanie.

Ponadto węgiel kamienny klasyfikuje się według wielkości ziarn.

Węgiel stosowany do celów energetycznych klasyfikuje się również według wartości opałowej i zawartości popiołu - klasy węgla. Węgiel o wyższej wartości opałowej oraz niższej zawartości popiołu uzyskuje wyższą cenę i jest chętniej kupowany w kraju i za granicą. Węgiel urobiony ze złoża, zwany węglem surowym, poddaje się procesom przeróbczym, mającym na celu uzyskanie możliwie najlep­szego węgla przeznaczonego na sprzedaż, czyli węgla rynkowego.

Temat: 7.6.4. Klasyfikacja węgla brunatnego

W Polsce rozróżnia się cztery gatunki węgla brunatnego zależnie od użytkowania: energetyczny, brykietowy, wytlewny i ekstrakcyjny.

Węgiel energetyczny powinien zawierać poniżej 40% popiołu w przeliczeniu na węgiel suchy i mieć wartość, opałową powyżej 6701 kJ/kg, przy zawartości wilgoci równej 50%. Zawartość N₂O poniżej 0,5%.

Węgiel brykietowy powinien zawierać poniżej 15% popiołu w prze­liczeniu na węgiel suchy i mieć wartość opałową 8374 kJ/kg, przy zawartości wilgoci równej 50%.

Węgiel wytlewny nadaje się do procesu wytlewania. Wytlewanie jest procesem chemicznym polegającym na ogrzewaniu węgla brunat­nego bez dostępu powietrza w temperaturze 500 do 600°C, w wyniku czego otrzymuje się produkt stały, czyli półkoks, produkty ciekle, czyli smołę wytlewną, tzw. prasmołę, wodę wytlewną i produkty gazowe. Węgiel wytlewny powinien zawierać mniej niż 20% popiołu, a wydaj­ność prasmoły powinna być większa od 12%.

Węgiel ekstrakcyjny zawiera substancje bitumiczne (żywiczno-wos­kowe) w ilości większej od 12%.

Węgiel brunatny klasyfikuje się również według wielkości ziarn (sortymenty), a zaliczony do energetycznych na klasy opalowe według wartości opałowej i zawartości popiołu.

Temat: 7.7.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_. ziemnego, asfaltu i ozokerytu oraz stanowią składniki skał bitumicznych (łupki bitumi­czne), a także węgli kopalnych (węgiel brunatny ekstrakcyjny).

Ropa naftowa. Stanowi ona ciekłą, kopalną mieszaninę węglowo­dorów niekiedy z domieszką związków siarki, tlenu i azotu.

Barwa ropy naftowej jest żółtobrunatna, zielonkawa lub czarna, wyjątkowo może być bezbarwna lub przezroczysta. Gęstość 790 do 930 kg/m³. Wartość opałowa 39 775 do 48 148 kJ/kg. Gromadzi się głównie w skałach porowatych, sypkich lub silnie spękanych, prze­ważnie piaskach, piaskowcach, dolomitach i wapieniach.

Ropa naftowa jest obecnie bardzo ważnym surowcem energetycz­nym i chemicznym. W wyniku destylacji otrzymuje się z niej benzynę, naftę, oleje pędne, oleje ciężkie (smary) i asfalt.

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% CHJ i gaz mokry zawierający obok metanu również inne węglowodory (etan, propan, butan). Wartość opałowa gazu ziemnego wynosi ponad 35 588 kJ/m³. Gaz ziemny występuje w skałach porowatych i spękanych. Towarzyszy również z1ozom ropy naftowej.

Gaz ziemny używany jest do celów opalowych, oświetleniowych i do przeróbki chemicznej. Z gazu mokrego otrzymuje się najlżejsze paliwa płynne - gazol i gazolinę.

Ozokeryt. Niewłaściwie jest nazywany woskiem ziemnym. Jest on bezpostaciową masą ciężkich węglowodorów. Barwa czarna, brunat­na, żółta lub zielonkawa. Gęstość 845 do 930 kg/m³. Z wyglądu podobny do wosku, topi się w temperaturze poniżej 100°C. Pali się jasnym płomieniem nie pozostawiając popiołu.

Asfalt naturalny. Stanowi on mieszaninę ciężkich bituminów z do­mieszką kwarcu, minerałów ilastych, niekiedy kalcytu. Barwa czarna lub brunatna. Mięknie w temperaturze 20 do 50°C. Asfalt sztuczny otrzymuje się z ropy naftowej jako pozostałość po destylacji.

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

Pytania kontrolne

1. Zdefiniuj pojęcie skała.

2. Jak dzielą się skały ze względu na ich powstanie?

3. Wymień najważniejsze skały magmowe i określ ich zastosowanie.

4. Podziel skały osadowe - posłuż się przykładami nazw.

5. Czym cechują się skały metamorficzne.

6. Co to są węgle kopalne i jak powstały.

7. Dokonaj charakterystyki torfu, węgla brunatnego, kamiennego i antracytu.

8. Wymień własności fizyczne i chemiczne węgli kopalnych.

9. Wymień znane ci typy węgla kamiennego.

10. Co zaliczamy do bituminów?

---