Рожденные подземным пожаром

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 псевдофумаролами. 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, хлоридными или аммонийными. В этих минеральных сообществах встречаются виды, нигде ранее не описанные.

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. Сребродолького «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 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 присутсвие одновременно двух полиморфных модификаций: ромбической α-серы и моноклинной β-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.

В публикации использованы фото автора

Литература

Потапов С. С., Максимович Н. Г. К минералогии горелых отвалов Кизеловского 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. С. 18—22.

Работа выполнена при финансовой поддержке СНМ ИПРЭК СО РАН (Конкурс молодежных научных проектов – 2013)