Ocena mo¿liwoœci wykorzystania wybranych przedkenozoicznych kopalin ilastych
z obszaru Polski do celów ochrony œrodowiska
Pawe³ Brañski*
An estimate of possible use of selected pre-Cenozoic clays from Poland for environmental protection. Prz. Geol. 55: 467–474.
S u m m a r y . The paper presents the main results of the study of various Mesozoic (and Upper Carboniferous) clays from southern Poland and their capacities for pollution retention, water isolation and soil restoration. Labo-ratory testing was performed on 40 clay and claystone samples from 16 quarries in order to identify grain-size and mineral composition (XRD analyses), cation exchange capacity (CEC), filtration coefficient, pH reaction and con-tents of selected trace elements. The clay series were accumulated in various palaeoenvironmental and palaeoclimatic conditions. They have also had different burial histories. The main component of these rocks is illite and subordinately kaolinite. Smectite (beidellite) and chlorite are usually only accessory minerals. The permeabil-ity of the pre-Cenozoic clays is varied, but CEC is very low. The clay deposits are not particularly useful for environmental protection because of scarcity of smectite and due to diagenetic alterations. They are neither a natural sorbent (with the exception of some unex-ploited Carboniferous bentonitic clays), nor high-quality material for pollution retention. Some of the clays may be useful for water isolation and restoration of the near-surface layer in degraded areas.
Key words: pre-Cenozoic clays, southern Poland, mineral composition, physicochemical properties, environmental protection
Celem przeprowadzonych prac by³o zbadanie przydat-noœci przedkenozoicznych kopalin ilastych w ochronie œro-dowiska naturalnego, zw³aszcza do izolowania sk³adowisk odpadów i hydroizolacji oraz rekultywacji terenów zdegra-dowanych i agromelioracji gleb lekkich zagro¿onych mar-ginalizacj¹. Niniejsza praca stanowi kontynuacjê regional-nych badañ wskaŸnikowych prowadzoregional-nych przez autora w latach 1990., obejmuj¹cych problematykê wykorzystania w ochronie œrodowiska ilastych kopalin trzeciorzêdowych (Brañski, 1994, 1995, 1998a) i czwartorzêdowych (Brañ-ski, 1998b)
Kopaliny ilaste zwi¹zane z wychodniami lub obsza-rami p³ytkiegowystêpowania formacji starszych od keno-zoiku, wystêpuj¹ niemal wy³¹cznie w Polsce po³udniowej, w regionach okreœlanych tradycyjnie jako obszary: kra-kowsko-wieluñski, obrze¿enia Gór Œwiêtokrzyskich i Gór-noœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego (ryc. 1). Maj¹ one raczej podrzêdne znaczenie w ogólnopolskiej bazie zasobów surowców ilastych (Przenios³o, 2005), ale niektóre z nich s¹ wa¿nymi surowcami w skali regionalnej. Dominuj¹c¹ rolê odgrywaj¹ obecnie i³owce i mu³owce triasu górnego oraz jury dolnej i œrodkowej, a mniejsz¹ i³o³upki karboñskie i i³owce triasu dolnego. I³owce permu, triasu œrodkowego oraz mu³owce kredy maj¹ znaczenie zupe³nie lokalne. Badania nie obejmowa³y karboñskich bentonitów i i³ów bentonitowych, czyli tzw. bentonitów milowickich. Ich szczegó³owa charakterystyka mineralogiczna i chemiczna oraz ocena w³aœciwoœci fizyczno-chemicznych zosta³y przed-stawione we wczeœniejszych publikacjach (m.in. Ryszka, 1973; Kubisz & Œrodoñ, 1973; K³apyta, 1975), a z³o¿a tych kopa-lin nie figuruj¹ obecnie w bilansie zasobów.
Metodyka prac
Zbadano ³¹cznie 40 próbek przedkenozoicznych kopa-lin ilastych, pochodz¹cych z 16 odkrywek (ryc. 1, tab. 1) i reprezentuj¹cych ró¿ne jednostki stratygraficzne — od
namu-ru A (warstwy grodzieckie) po baton (czêstochowskie i³y rudonoœne). W ka¿dej odkrywce pobrano od 1 do 5 próbek, które nastêpnie poddano badaniom laboratoryjnym. Zespó³ analityków z Centralnego Laboratorium Chemicznego PIG pod kierunkiem dr. in¿. Piotra Pas³awskiego przeprowa-dzi³: badania jakoœciowe i iloœciowe sk³adu mineralnego (dyfraktometria rentgenowska — XRD), analizê zawarto-œci wybranych pierwiastków oraz badania odczynu pH. Zespó³ wykonawców z Zak³adu Hydrogeologii i Geologii In¿ynierskiej PIG pod kierunkiem dr. Zbigniewa Fran-kowskiego przeprowadzi³ badania: sk³adu ziarnowego, po-jemnoœci sorpcyjnej, popo-jemnoœci wymiany kationów (CEC), ca³kowitej powierzchni w³aœciwej, a tak¿e wspó³czynnika filtracji (system pomiarowy Trautwein oraz porozymetr rtêcio-wy). Wyniki niniejszych analiz oraz archiwalne i publikowane wyniki wczeœniejszych badañ sk³adu ziarnowego, chemicznego i mineralnego stanowi³y podstawê charakterystyki minera-logicznej przedkenozoicznych kopalin ilastych oraz oceny mo¿liwoœci ich wykorzystania w ochronie œrodowiska.
Krótka charakterystyka geologiczna
Obszar obrze¿enia Gór Œwiêtokrzyskich obejmuje wa³ giel-niowsko-œwiêtokrzyski (stanowi¹cy po³udniowe przed³u¿enie wa³u œródpolskiego), a obszar krakowsko-wieluñski — monoklinê œl¹sko-krakowsk¹ i wschodni¹ czêœæ monokliny przedsudeckiej. Przed inwersj¹ rozci¹ga³a siê tu osiowa stre-fa basenu polskiego wraz z jego po³udniowym sk³onem. Przez obszar œwiêtokrzyski przebiega³a oœ po³udniowego odcinka bruzdy œródpolskiej, a obszar krakowsko-wieluñ-ski stanowi³ brze¿ny sk³on basenu. Obszar GZW nale¿y do jednostki zapadliska górnoœl¹skiego, bêd¹cego pierwotnie basenem przedgórskim orogenu waryscydów œl¹sko- moraw-skich. We wspomnianych jednostkach paleotektonicznych gromadzi³y siê okresowo kilkudziesiêcio- a nawet kilkuset-metrowe kompleksy ilaste, które w wyniku procesów inwersji, wydŸwigniêcia i erozji znalaz³y siê blisko powierzchni (po okresach mniej lub bardziej g³êbokiego pogrzebania).
*Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, 00-975 Warszawa; pawel.branski@pgi.gov.pl
PóŸny karbon to epoka stabilizacji globalnego poziomu morza. Na obszarze górnoœl¹skim zachodzi³a wówczas progradacja p³ytszych facji i stopniowa regresja. Przewa-¿a³ gor¹cy i wilgotny klimat równikowy typu tropikalnego (np. Witzke, 1990). Od póŸnego wizenu po póŸny westfal zapadlisko górnoœl¹skie rozwija³o siê jako basen przedgór-ski waryscydów morawsko-œl¹przedgór-skich (Narkiewicz, 2002), natomiast warstwy grodzieckie (porêbskie) powstawa³y w okresie spokoju tektonicznego, po pierwszej fazie kompresji orogenicznej, w czasie której SE obrze¿enie basenu uleg³o wypiêtrzeniu, a w zapadlisku przedgórskim zachodzi³a intensywna subsydencja. Badane kopaliny ilaste warstw grodzieckich (wystêpuj¹ce w z³o¿u Sosnowiec) powstawa³y w marginalno-morskich warunkach paralicznych, w szybko zmieniaj¹cych siê œrodowiskach estuariowo-deltowo-bagien-nych, a miejscami tak¿e aluwialno-limnicznych. Materia³ terygeniczny by³ wówczas dostarczany g³ównie z obszarów po³o¿onych na po³udnie i wschód od basenu (Unrug & Dembowski, 1971).
W triasie na obszarze Pangei zdecydowanie przewa¿a³ klimat gor¹cy o d³ugotrwa³ych porach suchych (Frakes, 1979; Selwood & Valdes, 2006). W takich warunkach powsta-wa³y grube kompleksy czerwonychmu³owców i i³owców:
warstw hieroglifowych i pseudooolitowych œrodkowego pstrego piaskowca i kompleksu podwêglanowego retu (ole-nek), warstw gipsowych dolnych i górnych (póŸny karnik) oraz wiêkszoœci warstw jarkowskich i zb¹szyneckich(noryk). Wybitnie aridalne warunki by³y przerywane epizodami och³o-dzenia i zwilgotnienia, g³ównie podczas powstawania sza-rych i pstsza-rych utworów warstw piaskowca trzcinowego (œrodkowy karnik). Kopaliny ilaste triasu powstawa³y prze-wa¿nie w marginalnomorskich, przejœciowych strefach o zmiennym zasoleniu lub w l¹dowych œrodowiskach alu-wialno-limnicznych (np. Pieñkowski, 1988; Marek & Paj-chlowa, 1997). Po okresie szybkiej subsydencji wewczesnym triasie pozosta³e mu³owce i i³owce osadza³y siê w warun-kach zró¿nicowanego (na ogó³ umiarkowanego) tempa po-gr¹¿ania pod³o¿a. Odmienne s¹ utwory retyku, wykszta³cone jako utwory mu³owcowo-ilaste, miejscami piaszczyste, bar-wy szarej, które zachowa³y siê tylko fragmentarycznie w bar- wyni-ku silnej i szeroko rozprzestrzenionej erozji na prze³omie triasu i jury. Zawartoœæ zwêglonej flory wskazuje na zwil-gotnienie klimatu.
W jurze dolnej, podczas postêpuj¹cego rozpadu Pangei, na obszarze œrodkowej Europy przewa¿a³ klimat ciep³y i wilgotny, na ogó³ bez wyraŸnych sezonowych zmian
wil-0 20km Warszawa kreda Cretaceous jura Jurassic trias Triassic perm Permian górny karbon Upper Carboniferous
kambr - dolny karbon
Cambrian - Lower Carboniferous
kopaliny ilaste przydatne do hydroizolacji
clay deposits useful for water isolation
kopaliny ilaste przydatne do rekultywacji
clay deposits useful for restoration
opróbowane odkrywki
sampled quarries
Ryc. 1. Lokalizacja opróbowanych odkrywek i g³ówne wyniki badañ na tle uproszczonej mapy geologicznej; symbole odkry-wek jak w tabeli 1
Fig. 1. The location of sampled quarries and main conclusions of the study against a simplified geological map; symbols of quarries as in Table 1
gotnoœci (np. Hallam, 1985; Chandler i in., 1992; Selwood & Valdes, 2006). W takich warunkach paleoklimatycznych powstawa³y m.in. kopaliny ilaste przysuskiej formacji rudo-noœnej (Brañski, 2005). Na prze³omie pliensbachu i toarsu, kiedy nastêpowa³a sedymentacja formacji ciechociñskiej, zasz³a istotna zmiana klimatu. Po okresie och³odzenia w póŸnym pliensbachu, we wczesnym toarsie postêpowa³o szybkie ocieplenie (Rosales i in., 2004). Jakkolwiek od pocz¹tku jury zaznacza siê generalnie wzrost eustatyczny (po skrajnie niskim po³o¿eniu poziomu oceanu œwiatowe-go u schy³ku retyku), to przebieg krzywych krótkookre-sowych zmian poziomu morza jest bardzo urozmaicony (m.in. Haq i in., 1987; Hesselbo & Jenkyns, 1998; Pieñ-kowski, 2004). We wczesnej jurze zaznaczy³a siê bardzo du¿a zmiennoœæ paleoœrodowisk sedymentacji, a kopaliny
ilaste powstawa³y w warunkach l¹dowych i marginalno-mor-skich (brakiczno-mormarginalno-mor-skich). Na pocz¹tku hetangu nast¹pi³o zdecydowane, krótkotrwa³e przyspieszenie subsydencji i raptowny wzrost tempa akumulacji osadów formacji zagaj-skiej na œwiêtokrzyskim odcinku bruzdy œródpolzagaj-skiej (Brañ-ski, 2004, 2006), w wyniku transtensyjnego zdarzenia tek-tonicznego (Hakenberg & Œwidrowska, 1998; Poprawa, 1997) na prze³omie triasu i jury. Przysuska formacja rudo-noœna powstawa³a ju¿ w warunkach s³abn¹cej subsydencji i umiarkowanego tempa akumulacji. Osady formacji cie-chociñskiej gromadzi³y siê w doœæ powolnym tempie i w warunkach ma³ej subsydencji. W jurze œrodkowej, podczas tworzenia siê czêstochowskich i³ów rudonoœnych, przy-puszczalnie dominowa³ klimat umiarkowany ch³odny. Czêstochowskie i³y rudonoœne s¹ osadami morskimi, które
Tab. 1. Odkrywki opróbowane w latach 2003–2004. WKW — Wy¿yna Krakowsko-Wieluñska, OGŒ — obrze¿enie Gór Œwiêto-krzyskich, GZW — Górnoœl¹skie Zag³êbie Wêglowe, GO — surowce ogniotrwa³e, GC — surowce ceramiczne (kamionkowe), IB — surowce ceramiki budowlanej, IC — surowce uzupe³niaj¹ce do produkcji cementu
Table 1. The quarries sampled in 2003-2004. WKW — Cracow-Wieluñ Upland, OGŒ — Holy Cross Mts. margin, GZW — Upper Sile-sian Coal Basin, GO — refractory raw materials, GC — stoneware raw materials, IB — raw materials for building ceramics, IC — sup-plementary raw materials for cement production
Chronostratygrafia Chronostratigraphy Litostratygrafia Lithostratigraphy Odkrywka (iloœæ próbek) Quarry (number of samples) Symbol Symbol Obszar Area Surowce Raw materials JURA JURASSIC ŒRODKOWA MIDDLE Bajos-Baton Bajocian-Bathonian Czêstochowskie i³y rudonoœne Czêstochowa Ore-bearing Clays OGRODZIENIEC (2) Og WKW IB ¯ARKI (2) ¯a KAWODRZA (2) Ka FAUSTIANKA (2) Fa DOLNA LOWER Toars Toarcian Formacja ciechociñska Ciechocinek For-mation CZERWONE OSIEDLE (5) CO IB Hetang Hettangian Przysuska formacja rudonoœna Przysucha Ore-bearing Formation KRYZMANÓWKA – ZAPNIÓW (3) KZ OGŒ GO GC TRIAS TRIASSIC GÓRNY UPPER Noryk Norian Warstwy zb¹szyneckie grn. Upper Zb¹szynek Beds ALBERTÓW-S£UPIA (1) AS WKW IB PATOKA (3) Pt GO£KOWICE (1) Go OLESNO (1) Ol CHE£STY (3) Ch OGŒ IB (GC) Warstwy zb¹szyneckie dln. Lower Zb¹szynek Beds WONIKI ŒL¥SKIE (2) Wo WKW IB Warstwy jarkowskie Jarkowo Beds KRASIEJÓW (3) Kr IC Karnik Carnian Warstwy piaskowca trzcinowego Reed Sandstone Beds LIPIE ŒL¥SKIE-LISOWICE (3) LL IB DOLNY LOWER Olenek Olenekian Warstwy hieroglifowe Hieroglyphic Beds PA£ÊGI (3) Pa OGŒ IB (GC) KARBON CARBONIFEROUS GÓRNY UPPER Namur Namurian Warstwy grodzieckie Grodziec Beds SOSNOWIEC (4) So GZW IB
by³y akumulowane g³ównie w niedotlenionej strefie szelfu silikoklastycznego, a powstawa³y od póŸnego bajosu po baton (Matyja & Wierzbowski, 2000) w warunkach nie-wielkiej subsydencji i umiarkowanego tempa akumulacji.
Utwory kredy s¹ bardzo zró¿nicowane litofacjalnie, a i³owce i mu³owce stanowi¹ tylko podrzêdny element pro-filu litologicznego. Cech¹ charakterystyczn¹ okresu kredo-wego by³y czêste zmiany paleoklimatu, polegaj¹ce za-równo na fluktuacjach wilgotnoœci, jak te¿ przemiennym zaznaczaniu siê faz ciep³ych i ch³odnych (np. Price i in., 1998). Morskie mu³ki kredowe gromadzi³y siê g³ównie w strefie g³êbszego szelfu epikontynentalnego.
Sk³ad mineralny
i wybrane w³aœciwoœci fizyczno-chemiczne Najwa¿niejsze wyniki przeprowadzonych badañ przed-stawiono graficznie na ryc. 2, 3 i 4. Uziarnienie badanych kopalin jest bardzo zmienne. Udzia³ frakcji i³owej jest szczególnie ma³y w próbkach ze z³ó¿ Sosnowiec, Pa³êgi i Che³sty, a niewiele wiêkszy w kopalinie z Lipia Œl¹skie-go–Lisowic, Krasiejowa i wiêkszoœci odkrywek ods³ania-j¹cych utwory jury œrodkowej. Jednoczeœnie zaznacza siê tam wysoka zawartoœæ ziaren frakcji grubszych (ryc. 2A, 3A, 4A).
Zawartoœæ minera³ów ilastych jest równie¿ zmienna (ryc. 2B, 3B, 4B). Najwiêksz¹ (powy¿ej 75%) stwierdzono w próbkach i³owców wy¿szego noryku ze z³ó¿ Che³sty i Patoka oraz i³ów ogniotrwa³ych hetangu z Kryzmanówki (Zapniowa). Przewarstwienia kopalin bardzo bogatych w minera³y ilaste pojawiaj¹ siê tak¿e w starszych formacjach, reprezentuj¹cych karbon górny (Sosnowiec: So2, So4) i trias dolny (Pa³êgi: Pa3). W wiêkszoœci badanych utworów zawartoœæ minera³ów ilastych jest znacznie wy¿sza od wyni-kaj¹cej z ich sk³adu ziarnowego. Jest to spowodowane tym, ¿e frakcje grubsze s¹ na ogó³ reprezentowane przez okru-chy i³owców. Ma to niew¹tpliwy zwi¹zek z ich silnym zdiagenezowaniem oraz procesami agregatyzacji (Kozydra & Wyrwicki, 1977; Szama³ek, 1983; Wyrwicki & Szama³ek, 1986). Obok minera³ów ilastych g³ównym sk³adnikiem badanych próbek jest kwarc, którego udzia³ zmienia siê w doœæ szerokim przedziale 15–55%, a w wiêkszoœci bada-nych próbek towarzysz¹ mu skalenie. Badane kopaliny karbonu górnego, triasu dolnego, czêœciowo triasu górnego (wy¿szy noryk) oraz jury dolnej s¹ praktycznie bezwapien-ne. Górnotriasowe kopaliny karniku oraz ni¿szego noryku s¹ przewa¿nie wapniste i zawieraj¹ 10–15% minera³ów wêglanowych. Wapniste s¹ równie¿ i³owce i mu³owce kre-dowe (Kozydra & Wyrwicki, 1975; Wyrwicki, 1988), a i³y rudonoœne jury œrodkowej s¹ przewa¿nie s³abowapniste. W próbkach kopalin doggeru oznaczono te¿ gips — w iloœ-ci do oko³o 2%. Zawartoœæ minera³ów ¿elaza w zbadanych próbkach kopalin przedkenozoicznych waha siê od 0 do oko³o 8% i s¹ one reprezentowane g³ównie przez hematyt i getyt. Tylko w i³owcach jury dolnej ze z³o¿a Czerwone Osiedle oraz i³owcach najwy¿szego triasu z Go³kowic stwierdzono syderyt w iloœci 4–8%.
Z punktu widzenia mo¿liwoœci wykorzystania kopalin ilastych w wiêkszoœci dziedzin ochrony œrodowiska, naj-wiêksze znaczenie ma sk³ad minera³ów ilastych, a zw³asz-cza zawartoœæ smektytów w postaci montmorillonitu lub beidelitu. W zdecydowanej wiêkszoœci kopalin przedkeno-zoicznych dominuj¹cym minera³em jest illit, którego udzia³
w sk³adzie minera³ów ilastych waha siê od kilkunastu do oko³o 80% (ryc. 2C, 3C, 4C). Bardzo zmienna jest zawar-toœæ kaolinitu, który mo¿e wystêpowaæ w postaci akceso-rycznych domieszek (Lipie Œl¹skie, Krasiejów) albo stanowiæ nawet 70–80% sk³adu minera³ów ilastych (i³y ogniotrwa³e ze z³o¿a Kryzmanówka w Zapniowie). W badanych prób-kach smektyty s¹ niestety tylko sk³adnikami podrzêdnymi lub wrêcz akcesorycznymi. Reprezentuje je beidelit, wchodz¹cy w sk³ad minera³ów mieszanopakietowych illit/smektyt, a w niektórych przypadkach (Pa³êgi, Che³sty) tak¿e smektyt/chloryt. Stosunkowo najwiêksz¹ domieszkê
D 0 2 4 6 8 10
So4 So3 So2 So1
CEC pH k C 0% 20% 40% 60% 80% 100%
So4 So3 So2 So1
kaolinit chloryt illit smektyt B 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
So4 So3 So2 So1
gips minera³y wêglanowe minera³y ¿elaza skalenie kwarc minera³y ilaste A 0% 20% 40% 60% 80% 100%
So4 So3 So2 So1
>0,05 mm
0,002-0,05 mm
<0,002 mm
Ryc. 2. Wyniki analiz karboñskich kopalin ilastych w po³udniowej Polsce: A — sk³ad ziarnowy, B — sk³ad mineralny, C — sk³ad minera³ów ilastych, D — wybrane w³aœciwoœci fizyczno-che-miczne: pojemnoœæ wymiany kationów, odczyn pH
Fig. 2. The results of investigations of Carboniferous clays from southern Poland: A — grain-size composition, B — general mine-ral composition, C — clay minemine-rals composition, D — selected physicochemical properties: cation exchange capacity, pH reaction
beidelitu stwierdzono w silnie zdiagenezowanych i³owcach z Pa³êgów oraz wapnistych mu³owcach z Lipia Œl¹skiego. Udzia³ chlorytu waha siê od znikomych domieszek do ponad 20%. Bardziej szczegó³owa analiza sk³adu mine-ra³ów ilastych bêdzie przedmiotem odrêbnej publikacji.
Wybrane w³aœciwoœci fizyczno-chemiczne badanych kopalin przedstawiono na rycinach 2D, 3D, 4D. Analizo-wane próbki cechuje bardzo ma³a zdolnoœæ do wymiany jonowej, co wyra¿aj¹ wyniki analiz CEC, mieszcz¹ce siê w przedziale 1–7 mval/100 g. Pojedyncze próbki reprezen-tuj¹ce ilaste utwory piaskowca trzcinowego (LL3) i warstw
zb¹szyneckich (Ol1) wykazuj¹ nieco wiêksze mo¿liwoœci jonowowymienne. Zdaniem autora, ma to przynajmniej dwie przyczyny. Pierwsz¹ z nich jest niew¹tpliwie nieko-rzystny sk³ad minera³ów ilastych, czyli ma³a (a nawet zni-koma) zawartoœæ smektytów. Drug¹ przyczyn¹ jest prawdopodobnie d³ugotrwa³e pogrzebanie osadów i mody-fikacja pierwotnego u³o¿enia minera³ów oraz cech fizycz-nych w wyniku procesów kompakcji (np. Chamley, 1989). Badane próbki ska³ ilastych wykazuj¹ bardzo zró¿nico-wan¹ przepuszczalnoœæ. Czêœæ próbek (zw³aszcza repre-zentuj¹cych karnik i wczesny noryk) ma teksturê brekcji i
Pa3 Pa2 Pa1 LL3 LL2 LL1 Kr3 Kr2 Kr1 Wo2 Wo1 Ch3 Ch2 Ch1 Ol1 Go1 Pt3 Pt2 Pt1 AS1
Pa3 Pa2 Pa1 LL3 LL2 LL1 Kr3 Kr2 Kr1 Wo2 Wo1 Ch3 Ch2 Ch1 Ol1 Go1 Pt3 Pt2 Pt1 AS1 Pa3 Pa2 Pa1 LL3 LL2 LL1 Kr3 Kr2 Kr1 Wo2 Wo1 Ch3 Ch2 Ch1 Ol1 Go1 Pt3 Pt2 Pt1 AS1
Pa3 Pa2 Pa1 LL3 LL2 LL1 Kr3 Kr2 Kr1 Wo2 Wo1 Ch3 Ch2 Ch1 Ol1 Go1 Pt3 Pt2 Pt1 AS1
D 0 2 4 6 8 10 12 A 0% 20% 40% 60% 80% 100% C 0% 20% 40% 60% 80% 100% B 0% 20% 40% 60% 80% 100%
Ryc. 3. Wyniki analiz triasowych kopalin ilastych w po³udniowej Polsce: A — sk³ad ziarnowy, B — sk³ad mineralny, C — sk³ad minera³ów ilastych, D — wybrane w³aœciwoœci fizyczno-chemiczne: pojemnoœæ wymiany kationów, odczyn pH, wspó³czynnik filtracji
Fig. 3. The results of investigations of Triassic clays from southern Poland: A — grain-size composition, B — general mineral composition, C — clay minerals composition, D — selected physicochemical properties: cation exchange capacity, pH reaction and filtration coefficient
podczas wietrzenia ulega dezintegracji na niewielkie grud-ki. Z kolei próbki z obszaru œwiêtokrzyskiego (bruzda œródpolska) i zapadliska górnoœl¹skiego cechuje bardzo wysoka zwiêz³oœæ, uniemo¿liwiaj¹ca badania w systemie Trautwein. Jednak wœród kopalin pochodz¹cych z obsza-ru krakowsko-wieluñskiego stwierdzono te¿ utwory prak-tycznie nieprzepuszczalne (wspó³czynnik filtracji rzêdu 10–10–10–11 m/s). Zdecydowana wiêkszoœæ analizowanych mu³owców i i³owców wykazuje odczyn s³abo alkaliczny lub alkaliczny, a znacznie rzadziej stwierdzano odczyn s³abo kwaœny.
Przeanalizowano te¿ zawartoœæ niektórych metali (Ba, Sr, Zn, Pb, Cr, Cu i Ni) oraz udzia³ tlenków Fe, Ti i Mn (tab. 2). Wyniki skonfrontowano z typowym zakresem ich zawarto-œci w ska³ach ilastych oraz ilozawarto-œciami dopuszczalnymi w glebach u¿ytkowanych rolniczo (Kabata-Pendias & Pen-dias, 1993). Zwraca uwagê wysoka zawartoœæ strontu i baru w niektórych odmianach mu³owców kajpru ze z³o¿a Lipie Œl¹skie, w których pojawia siê równie¿ koncentracja o³owiu. W kopalinach jury dolnej oraz w niektórych odmia-nach kopalin górnego karbonu i dolnego triasu zaznacza siê podwy¿szona zawartoœæ chromu (ponad 100 ppm).
Kz3 Kz2 Kz1 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1 Fa2 Fa1 Ka2 Ka1 ¯a2 ¯a1 Og2 Og1 Kz3 Kz2 Kz1 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1 Fa2 Fa1 Ka2 Ka1 ¯a2 ¯a1 Og2 Og1
Kz3 Kz2 Kz1 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1 Fa2 Fa1 Ka2 Ka1 ¯a2 ¯a1 Og2 Og1
Kz3 Kz2 Kz1 CO5 CO4 CO3 CO2 CO1 Fa2 Fa1 Ka2 Ka1 ¯a2 ¯a1 Og2 Og1
D 0 2 4 6 8 10 12 C 0% 20% 40% 60% 80% 100% A 0% 20% 40% 60% 80% 100% B 0% 20% 40% 60% 80% 100%
Ryc. 4. Wyniki analiz jurajskich kopalin ilastych w po³udniowej Polsce: A — sk³ad ziarnowy, B — sk³ad mineralny, C — sk³ad minera³ów ilastych, D — wybrane w³aœciwoœci fizyczno-chemiczne: pojemnoœæ wymiany kationów, odczyn pH, wspó³czynnik fil-tracji
Fig. 4. The results of investigations of Triassic clays from southern Poland: A — grain-size composition, B — general mineral com-position, C — clay minerals comcom-position, D — selected physicochemical properties: cation exchange capacity, pH reaction and filtration coefficient
Ocena przydatnoœci kopalin do celów ochrony œrodowiska
Ogólnie rzecz bior¹c przydatnoœæ utworów ilastych do celów ochrony œrodowiska jest pochodn¹ ich uziarnienia, sk³adu mineralnego oraz struktury i u³o¿enia cz¹stek ilastych. Ma to odzwierciedlenie w we w³aœciwoœciach fizycznych i fizyczno-chemicznych kopaliny (plastycznoœæ, przepusz-czalnoœæ, wilgotnoœæ naturalna, pojemnoœæ sorpcyjna, w³aœ-ciwoœci jonowowymienne i katalityczne) oraz wp³ywa na mo¿liwoœæ ich modyfikacji. W pewnym uproszczeniu mo¿na powiedzieæ, ¿e im wiêkszy w kopalinie udzia³ frakcji i³owej i minera³ów ilastych ogó³em, a w sk³adzie minera³ów ilas-tych wy¿sza zawartoœæ montmorillonitu lub beidelitu, tym lepszy stanowi ona surowiec i tym szersze s¹ mo¿liwoœci jej stosowania (np. Koz³owski, 1990; Brañski, 1994, 1998a; Koœciówko & Wyrwicki, 1996; Wysokiñski, 1998). Zjawis-kiem korzystnym jest te¿ jak najmniejsze naruszenie jej struktury w wyniku oddzia³ywania podwy¿szonej tempe-ratury i ciœnienia. Szczególne znaczenie z punktu widzenia stosowania kopalin ilastych w ró¿nych dziedzinach ochro-ny œrodowiska ma ich pojemnoœæ sorpcyjna i zdolnoœæ do wymiany jonowej. Bardzo dobre lub dobre w³aœciwoœci sorpcyjne i jonowowymienne maj¹ podstawowe znaczenie i s¹ wyznacznikiem przydatnoœci do wykorzystania jako sorbenty naturalne, surowce do konstruowania barier izo-luj¹cych sk³adowiska odpadów aktywnych, a tak¿e do odtwa-rzania gleb na terenach zdegradowanych i agromelioracji gleb zmarginalizowanych. W³aœciwoœci te maj¹ natomiast mniejsze znaczenie w hydroizolacji, czyli ekranowaniu wód ma³o zanieczyszczonych.
Z przeprowadzonych badañ wynika, ¿e tylko nieliczne odmiany kopalin przedkenozoicznych (i o ograniczonym zasiêgu wystêpowania) mog¹ byæ uwa¿ane za dobre surowce w niektórych dziedzinach ochrony œrodowiska. Przyczynami takiego stanu rzeczy s¹ przede wszystkim: bardzo ma³e zdolnoœci jonowowymienne (CEC w grani-cach 1–11 mval/100 g), przewa¿nie nie najlepsza lub wrêcz
s³aba plastycznoœæ, agregatyzacja oraz obecnoœæ ziaren i okruchów nierozmakalnych lub trudno rozmakalnych w wodzie. Z wy¿ej wymienionych powodów wœród przedke-nozoicznych kopalin ilastych brakuje sorbentów natural-nych oraz godnatural-nych polecenia surowców do izolowania sk³adowisk odpadów aktywnych. To spostrze¿enie nie dotyczy karboñskich bentonitów i i³ów bentonitowych, które nie by³y przedmiotem niniejszych badañ.
Przepuszczalnoœæ badanych kopalin jest zró¿nicowana, ale od okolic Wielunia po rejon Lubliñca (ryc. 1) wystêpuj¹ dobrej jakoœci surowce hydroizolacyjne. Mo¿na do nich zaliczyæ i³owce triasu górnego z wy¿szej czêœci warstw zb¹szyneckich oraz i³owce jury dolnej (zw³aszcza repre-zentuj¹ce tzw. warstwy wieluñskie, czyli doln¹ czêœæ for-macji ciechociñskiej). Wspomniane kopaliny (wystêpuj¹ce m.in. w z³o¿ach: Go³kowice, Patoka, Albertów–S³upia, Czerwone Osiedle) s¹ praktycznie nieprzepuszczalne, bez-wapienne i zazwyczaj nie zawieraj¹ koncentracji sk³adni-ków mog¹cych sprzyjaæ powstawaniu uprzywilejowanych dróg filtracji. Praktycznie nieprzepuszczalne i³owce poja-wiaj¹ siê tak¿e wœród czêstochowskich i³ów rudonoœnych, ale ich w³aœciwoœci bywaj¹ bardzo zmienne w obrêbie z³o¿a i czêsto wystêpuj¹ tam sk³adniki szkodliwe (minera³y wêglanowe i gips).
Analizowane kopaliny nie s¹ te¿ na ogó³ wysokiej jakoœci surowcami do celów nowoczesnej rekultywacji i agrome-lioracji. Nale¿y jednak w tym aspekcie zwróciæ uwagê na ilaste utwory kredowe (obecnie nie eksploatowane), badane w latach ubieg³ych (Kozydra & Wyrwicki, 1977; Wyrwicki, 1988). S¹ to s³abo zdiagenezowane mu³owce i mu³ki, zazwy-czaj typu beidelitowego, zawieraj¹ce przewa¿nie ponad 15% minera³ów wêglanowych oraz znaczne domieszki substancji organicznej. Dziêki wymienionym w³aœciwo-œciom kopaliny te mog¹ byæ wykorzystywane jako substra-ty glebowe, chocia¿ ich wad¹ mo¿e byæ znaczna zawartoœæ pirytu. Na ryc. 1 zaznaczono obszary p³ytkiego wystêpo-wania mu³ków walan¿ynu i hotterywu z rejonu Tomaszo-wa Mazowieckiego oraz turonu okolic Opola.
Tab. 2. Zawartoœæ wybranych pierwiastków œladowych oraz tlenków Fe, Mn i Ti w badanych kopalinach ilastych Table 2. The contents of selected trace elements and Fe-, Mn- and Ti-oxides in the analyzed clays
Sk³adniki Components KARBON CARBONIFEROUS TRIAS TRIASSIC JURA JURASSIC Namur Namurian Olenek Olenekian Karnik
Carnian NorianNoryk HettangianHetang ToarcianToars
Bajos–Baton Bajocian– Bathonian Próbki Samples 4 3 3 14 3 5 8 Ba [ppm] 317–533 312–447 264–1524 178–398 348–520 279–360 180–302 Cr [ppm] 66–113 83–126 50–56 25–100 123–140 109–140 69–102 Cu [ppm] 15–38 18–21 14–25 12–37 32–64 31–37 15–23 Ni [ppm] 32–61 48–60 22–29 18–78 22–30 48–52 29–55 Pb [ppm] 12–21 14–19 4–73 10–26 16–23 15–26 13–24 Sr [ppm] 33–68 75–105 419–1329 30–204 156–220 78–92 122–201 Zn [ppm] 40–111 105–118 44–74 39–92 23–37 70–93 28–85 Fe2O3[%] 2,63–7,13 6,30–7,43 3,05–5,09 1,59–12,19 1,12–5,90 7,28–10,87 3,12–5,08 MnO2[%] 0,023–0,100 0,055–0,081 0,049–0,069 0,021–0,163 0,007–0,010 0,065–0,144 0,024–0,044 TiO2[%] 1,01–1,24 0,83–0,98 0,62–0,70 0,67–1,04 1,33–1,57 1,01–1,21 0,69–1,03
Podsumowanie
Przedkenozoiczne kopaliny ilaste nale¿y uznaæ za sto-sunkowo ma³o przydatne dla celów ochrony œrodowiska, zw³aszcza w porównaniu z kopalinami neogenu (por. Brañ-ski, 1994, 1995, 1998a). Wykorzystane mog¹ byæ tylko niektóre ich odmiany i to w ograniczonym zakresie. Przy-czyna tego stanu rzeczy le¿y przede wszystkim w niekorzyst-nych proporcjach iloœciowych poszczególniekorzyst-nych minera³ów ilas-tych oraz znacznym stopniu zdiagenezowania kopalin. Wy-nikiem tegos¹ s³abe w³aœciwoœci jonowowymienne, obni¿o-na plastycznoœæi wystêpowanie okruchów zlityfikowanych i³owców. Badane kopaliny przedkenozoiczne powstawa³y na ogó³ w warunkach paleoklimatycznych i paleogeograficz-nychniesprzyjaj¹cych wystêpowaniu du¿ej zawartoœci smek-tytów. Ich pogrzebanie nie by³o na ogó³ na tyle g³êbokie, by doprowadziæ do zasadniczych zmian w sk³adzie minera³ów ilastych, ale by³o wystarczaj¹ce, by spowodowaæ nieko-rzystn¹ reorganizacjê struktury i u³o¿enia cz¹stek ilastych.
Poza karboñskimi utworami bentonitowymi wœród przedkenozoicznych i³owców i mu³owców nie ma kopalin, które mo¿na by by³o wykorzystywaæ jako sorbenty natural-ne. Nie stanowi¹ te¿ one dobrego surowca do izolowania sk³adowisk odpadów aktywnych, g³ównie ze wzglêdu na bardzo ma³e zdolnoœci jonowowymienne, a w niektórych przypadkach tak¿e du¿¹ zawartoœæ wêglanu wapnia, szcz¹t-ków organicznych lub gipsu. Jednoczeœnie niektóre i³owce z obszaru krakowsko-wieluñskiego (przewa¿nie reprezen-tuj¹ce wy¿sze warstwy zb¹szyneckie górnego triasu i lokal-nie formacjê ciechociñsk¹ jury dolnej) wykazuj¹ cechy ska³ praktycznie nieprzepuszczalnych i mog¹ stanowiæ dobry mate-ria³ do ogólnej hydroizolacji. Wyniki badañ potwierdzi³y te¿ dobre w³aœciwoœci hydroizolacyjnei³ów hetangu ze z³o¿a Kryzmanówka w Zapniowie. Ze wzglêdu na podrzêdn¹ zawartoœæ smektytów i ma³e zdolnoœci jonowowymienne (a tak¿e udzia³ nierozmakalnych okruchów i miejscami pod-wy¿szon¹ zawartoœæ pierwiastków œladowych), badane kopaliny nie s¹ dobrej jakoœci surowcami do odtwarzania i u¿yŸniania gleb na obszarach zdegradowanych lub zmargi-nalizowanych. Natomiast wyniki wczeœniejszych badañ wapnistych mu³ków kredowych z okolic Tomaszowa Mazo-wieckiego i Opola (obecnie nieeksploatowanych) sugeruj¹ ich ewentualn¹ przydatnoœæ w tej dziedzinie.
Badania, których najwa¿niejsze wyniki zaprezentowano w niniejszej publikacji, by³y finansowane ze œrodków NFOŒiGW (temat nr 2.72.0000.00.0), a tak¿e ze œrodków KBN na dzia³alnoœæ statutow¹ Pañstwowego Instytutu Geologicznego (temat nr 6.72.0000.00.0). Tematami kierowa³ autor artyku³u.
Literatura
BRAÑSKI P. 1994 — Mo¿liwoœci wykorzystania i³ów serii poznañ-skiej w ochronie œrodowiska. Prz. Geol., 42: 446–449.
BRAÑSKI P. 1995 — Perspektywy wykorzystania i³ów mioceñskich zapa-dliska przedkarpackiego w ochronie œrodowiska. Prz. Geol., 43: 493–496. BRAÑSKI P. 1998a — Badania trzeciorzêdowych i³ów o podwy¿szo-nej zawartoœci smektytów (montmorillonitu). [W:] S. Koz³owski (red.), Ochrona litosfery. Pañstw. Inst. Geol.: 197–200.
BRAÑSKI P. 1998b — Analiza przydatnoœci ilastych utworów czwartorzê-dowych w ochronie œrodowiska przyrodniczego. CAG Pañstw. Inst. Geol. BRAÑSKI P. 2004 — Formacja zagajska w regionie œwiêtokrzyskim- zapis zda-rzenia tektonicznego na prze³omie triasu i jury. Tomy Jurajskie, 2: 161–162. BRAÑSKI P. 2005 — Wp³yw warunków paleogeograficznych i paleo-klimatycznych na sk³ad mineralny i³ów dolnojurajskich z po³udniowej czêœci basenu polskiego (zarys problemu). Tomy Jurajskie, 3: 127–128. BRAÑSKI P. 2006 — Lower Hettangian in the Holy Cross Mountains region — an example of tectonically-controlled sedimentation in the epicontinental basin of Poland. Volumina Jurassica, 4: 80–81. CHAMLEY H. 1989 — Clay sedimentology. Springer-Verlag. Berlin.
CHANDLER M.A., RIND D. & RUEDY R. 1992 — Pangean climate during the Early Jurassic: GCM simulations and the sedimentary record of palaeoclimate. Geol. Soc. America Bull., 104: 543–559.
FRAKES L.A. 1979 — Climates throughout Geologic Time. Elsevier. Amsterdam.
HAKENBERG M. & ŒWIDROWSKA J. 1998 — Rozwój po³udniowo-wschodniego segmentu bruzdy polskiej i jego zwi¹zek ze strefami usko-ków ograniczaj¹cych (od permu do póŸnej jury). Prz. Geol., 46: 503–508. HALLAM A. 1985 — A review of Mesozoic climates. J. Geol. Soc., 142: 433–445.
HAQ B.U., HARDENBOL J. & VAIL P.R. 1987 — Chronology of fluctuating sea level since the Triassic. Science, 235: 1156–1167. HESSELBO S.P. & JENKYNS H.C. 1998 — British Lower Jurassic Sequence Stratigraphy. [W:] De Graciansky P.C., Hardenbol J., Jacquin T. & Vail P.R. (red.) — Mesozoic and Cenozoic Sequence Stratigraphy of European Basins. Soc. Econ. Paleont. Miner. Sp. Publ., 60: 561–581. KABATA-PENDIAS A. & PENDIAS H. 1993 — Biogeochemia pier-wiastków œladowych. PWN.
K£APYTA Z. 1975 — Bentonity i i³y bentonitowe Polski. Pr. Miner. Komis. Nauk. Miner. PAN Oddzia³ w Krakowie, 43: 6–108. KOŒCIÓWKO H. & WYRWICKI R. (red.) 1996 — Metodyka badañ kopalin ilastych. Pañstw. Ins. Geol.
KOZ£OWSKI S. 1990 — Problematyka krajowych sorbentów mine-ralnych. [W:] S. Koz³owski (red.), Wykorzystanie surowców skalnych w ochronie œrodowiska. SGGW-AR: 66–70.
KOZYDRA Z. & WYRWICKI R. 1975 — I³y kredowe z W¹wa³u i Kom-prachcic i ich przydatnoœæ dla ceramiki budowlanej. Prz. Geol., 23: 68–71 KOZYDRA Z. & WYRWICKI R. 1977 — Wstêpne wyniki badañ i³ów gór-notriasowych jako surowców ceramicznych. Biul. Inst. Geol., 299: 149–192 KUBISZ J. & ŒRODOÑ J. 1973 — Studium mineralogiczno-petrogra-ficzne ska³ poziomu bentonitowego z niecki bytomskiej. Pr. Miner. PAN Oddzia³ w Krakowie, 31.
MAREK S. & PAJCHLOWA M. (red.) 1997 — Epikontynentalny perm i mezozoik w Polsce. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 153.
MATYJA B.A. & WIERZBOWSKI A. 2000 — Ammonites and strati-graphy of the uppermost Bajocian and Lower Bathonian between Czê-stochowa and Wieluñ, Central Poland. Acta Geol. Pol., 50: 191–209. NARKIEWICZ M. 2002 — Przedpole orogenu waryscyjskiego w po³udniowej Polsce — etapy tektonicznego rozwoju basenów w dewo-nie i karbodewo-nie. Prz. Geol., 50: 1216.
PIEÑKOWSKI G. 1988 — Analiza facjalna najwy¿szego triasu i liasu Wy¿yny Krakowsko-Wieluñskiej oraz perspektywy wystêpowania surowców ilastych. Prz. Geol., 36: 449–456.
PIEÑKOWSKI G. 2004 — The epicontinental Lower Jurassic of Poland. Polish Geological Institute Special Papers, 12: 1–154. POPRAWA P. 1997 — Late Permian to Tertiary dynamics of the Polish Trough. EUROPROBE TESZ -Meeting, Potsdam. Terra Nostra, 97: 104–109. PRICE G.D., VALDES P.J. & SELLWOOD B.W. 1998 — A compari-son of GCM simulated Cretaceous “greenhouse” and “icehouse” clima-tes: implications for the sedimentary record. Palaeogeogr.,
Palaeoclimatol., Palaeoecol., 142: 123–138.
PRZENIOS£O S. (red.) 2005 — Bilans zasobów kopalin i wód pod-ziemnych w Polsce, wg stanu na 31.XII.2004 roku. Pañstw. Inst. Geol. ROSALES I., ROBLES S. & QUESADA S. 2004 — Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. J. Sediment. Res., 74: 342–354.
RYSZKA J. 1973 — Krystalochemiczne w³asnoœci minera³ów ilastych z karbonu produktywnego Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Kwart. Geol., 17: 410–422.
SELLWOOD B.W. & VALDES P.J. 2006 — Mesozoic climates: Gene-ral circulation models and rock record. Sediment. Geol., 190: 269–287. SZAMA£EK K. 1983 — Charakterystyka mineralogiczna dolnotriaso-wych surowców ilastych ze Skoków (Góry Œwiêtokrzyskie). Kwart. Geol., 27: 69–84.
UNRUG R. & DEMBOWSKI Z. 1971 — Rozwój diastroficzno-sedymen-tacyjny basenu Morawsko-Œl¹skiego. Rocz. Pol. Tow. Geol., 61: 119–168. WITZKE B.J. 1990 — Palaeoclimatic constraints for Paleozoic palae-olatitudes of Laurentia and Euramerica. [W:] McKerrow W.S. & Scote-se C.R. (red.), Paleozoic Paleogeography and Biogeography. Geol. Soc. (London) Memoirs, 12: 57–73.
WYRWICKI R. 1988 — Litologia i w³aœciwoœci ceramiczne zasiarczo-nych ska³ ilastych neokomu z Olszewic (niecka tomaszowska). Kwart. Geol., 32: 405–422.
WYRWICKI R. & SZAMA£EK K. 1986 — Litologia i w³asnoœci surow-cowe baranowskich glin kamionkowych. Kwart. Geol., 30: 533–557. WYSOKIÑSKI L. 1998 — Budowa, modernizacja i rekultywacja sk³adowisk odpadów komunalnych. [W:] Materia³y VIII Miêdzynaro-dowej Konferencji „Budowa bezpiecznych sk³adowisk odpadów”, Wis³a, 25–27 luty 1998: 113–144.
Praca wp³ynê³a do redakcji 20.12.2006 r. Akceptowano do druku 21.05.2007 r.
