Płonące hałdy jak wulkany. “Wybuchowo” potrafi być także w Polsce [WYWIAD]

Czy hałdy mogą płonąć? Dlaczego przypominają one swoiste “nowoczesne wulkany”? O badaniach niezwykłych zjawisk na polskich (i nie tylko) hałdach opowiada dr hab. Łukasz Kruszewski, profesor ING PAN. Ponadto zdradza, jak to jest odkryć nowy minerał i ile pracy się z tym wiąże.
Hałda Szarlota w Rydułtowach / fot. Łukasz Kruszewski
Hałda Szarlota w Rydułtowach / fot. Łukasz Kruszewski

Jakub Zygmunt, Focus.pl: Chociaż w Polsce nie mamy aktywnych wulkanów, to… mamy hałdy. Dlaczego możemy je niekiedy nazywać swoistymi „nowoczesnymi wulkanami”?

Łukasz Kruszewski, Instytut Nauk Geologicznych PAN: Odpowiedź na to pytanie nasuwa nam na pierwszy rzut oka sam wygląd hałd. Wyrastają one niczym wulkany ze stosunkowo płaskiej przestrzeni. Wystarczy spojrzeć na taką hałdę Szarlota w Rydułtowach, której wysokość względna to ponad 130 metrów. Jest to najwyższa hałda w Europie, która jest wizytówką okolic Rybnika. Dzisiaj możemy oglądać tutaj jeden stożek, ale kiedyś były dwa. Kiedy bliżej przyjrzymy się takim stożkom, albo – szczególnie – przekrojonym zwałom, to zauważymy, że są zbudowane one jak takie przekładańce – poszczególne warstwy mają różne, kontrastowe barwy. Już z daleka na niektórych hałdach widać nawet fumarole, które kojarzymy raczej z regionów wulkanicznych. Najważniejsza różnica między hałdą a prawdziwym wulkanem jest taka, że źródłem ciepła tutaj nie jest magma, a spontaniczne pożary węgla. I warto dodać, że te procesy są faktycznie, najczęściej, spontaniczne, czemu dowodzą wyniki badań tutaj przeprowadzanych.

Pożary węgla możemy porównać do gorącej magmy? Do jakich temperatur potrafi rozgrzać się taka płonąca hałda?

Temperatury, jakie panują we wnętrzu hałd, ale czasami nawet i na powierzchni, wynoszą 1200 stopni, ale dalej są doniesienia, że lokalnie nawet powyżej 1500 stopni. Należy dodać, że nie tylko węglowe hałdy się palą i nie tylko same hałdy. Na przykład w północnych Chinach są (nieciągłe) strefy o długości wielu kilometrów, które punktowo się palą; nie ma tam ani żadnych hałd ani eksploatacji. Soczewkowe wystąpienia węgla, które wskutek procesów tektonicznych dostały się na powierzchnię, weszły w kontakt z tlenem i w ten sposób potrafią się palić nawet kilkadziesiąt lat. Temperatura 1200 stopni to jest taka wartość, która pozwoli na przetopienie większości minerałów tworzących skały pierwotne, czyli tak zwane protolity.

Czytaj też: Naukowcy zeszli do jaskiń wulkanicznych. Znaleźli tysiące nieznanych gatunków bakterii

Analiza gazów in situ (spektrometr FTIR GASMET DX4000) w otoczeniu skorupy siarczanowej, hałda "Szarlota", Rydułtowy / fot. Łukasz Kruszewski
Analiza gazów in situ (spektrometr FTIR GASMET DX4000) w otoczeniu skorupy siarczanowej, hałda “Szarlota”, Rydułtowy / fot. Łukasz Kruszewski

A jakie skały tworzą hałdy?

To są przede wszystkim skały zbudowane z minerałów ilastych i kwarcu, który w dużym stopniu pozostaje niezmieniony pod wpływem temperatury. Te skały to głównie łupki węglonośne. Trzeba jeszcze dodać, że dzisiaj zupełnie inaczej usypuje się hałdy, niż było to dawniej, kiedy to niekoniecznie przejmowano się oddzieleniem hałdy od otoczenia, oraz nie były znane technologiczne metody, aby skutecznie oddzielać węgiel od skały płonnej. Przypuszcza się, że nawet połowę objętości hałd, które się paliły, mógł stanowić węgiel. Do dzisiaj jeszcze kilka hałd się pali na Górnym Śląsku, a na pewno niejedna jeszcze zacznie. Bo te zjawiska są naprawdę bardzo dynamiczne i trudno je przewidywać oraz modelować.

Bardzo ciekawym w Pańskich badaniach nad hałdami jest to, że procesy w nich zachodzące można potraktować jako modelowe dla wielu różnych środowisk. Jakich konkretnie?

Na początku chciałbym dopowiedzieć, że wszystkie procesy zachodzące na zapożarowanych hałdach są niezwykle chaotyczne. Zarówno w makroskali, jak i mikroskali – skali atomowej. Pierwszy typ „środowiska”, do którego możemy się odnieść – meteoryty – ma swój odpowiednik w takich strefach na hałdach, które nazywamy „czarnymi blokami”. To są miejsca, gdzie dochodziło do przeobrażeń termicznych w wysokich temperaturach, ale przy małym dostępie tlenu. Proces ten jest w pewnym stopniu analogiczny do koksowania. Tam powstaje tzw. mineralizacja meteorytowa, gdzie pojawiają się bardzo silnie zredukowane związki posiadające niewiele tlenu. Niektóre z nich przed erą badań hałd były znane tylko z meteorytów. Za przykład podam minerał oldhamit – siarczek wapnia. Czyli na hałdach znajdziemy minerały znane z meteorytów.

Złożona rzeźna terenu hałdy “Wrzosy” w Pszowie (Rybnicki Okręg Węglowy) / fot. Łukasz Kruszewski
Złożona rzeźna terenu hałdy “Wrzosy” w Pszowie (Rybnicki Okręg Węglowy) / fot. Łukasz Kruszewski

Ale pozostańmy jeszcze na chwilę w strefie pozaziemskiej. Niektóre z gazów, które udało nam się wstępnie lub ewidentnie zidentyfikować na hałdach, są podobne w dość dużym uogólnieniu do składu atmosfery niektórych obiektów kosmicznych. Mowa tu dokładnie o atmosferze Tytana – księżyca Saturna.

Innym podobnym „środowiskiem” do hałd jest po prostu przemysł – różne jego gałęzie, w tym przemysł ceramiczny. Mamy więc na hałdach mineralizację ceramiczną i przykładem skały, która tworzy się tam w dużych ilościach, jest porcelanit. Występuje również klinkier, który jest bardzo podobny do cegły klinkierowej, a bywa eksploatowany jako kruszywo o nazwie “czerwony łupek” – mamy więc nawiązanie do przemysłu cegielnianego.

Czytaj też: Wybuch wulkanu Cumbre Vieja trwał wyjątkowo długo. Przyczyna tkwiła w nietypowej lawie

Strefy pożarowe na hałdach, które bądź co bądź są środowiskiem antropogenicznym, są również analogiczne do stref pożarowych w naturalnym środowisku, gdzie tworzą się skały, które nieco niefortunnie nazywa się paralawami. Chyba najbardziej znana tego typu strefa to słynna Formacja Hatrurim na pograniczu Izraela, Palestyny i Jordanii. Nie należy ich mylić z lawą, która jest stopem, a nie skałą. Przykładem skały powstałej z lawy jest chociażby bazalt. A na hałdach mamy parabazalt. Jest on bardzo mocno porowaty, ciemny, ma struktury fluidalne (wskazujące na płynięcie stopu) przypominające loby, a niekiedy nawet strąki. Podobne skały do bazaltu spotykamy również na hałdach. Podsumowując to wymienianie, mogę śmiało przyznać, ze hałdy to jest po prostu istne, chaotyczne, laboratorium chemiczne.

Hałda “Wrzosy” w Pszowie i “Szarlota” w Rydułtowach widziane z hałdy w Radlinie / fot. Łukasza Kruszewski
Hałda “Wrzosy” w Pszowie i “Szarlota” w Rydułtowach widziane z hałdy w Radlinie / fot. Łukasza Kruszewski

Czy na hałdach nie dochodzi czasem do wybuchów? Taka dynamika procesów wydaje się wręcz prowokująca do tego.

Okazuje się, że tak. Znany jest chociażby taki przypadek z Austrii. Jest też doniesienie z Chin, że taki wybuch doprowadził do śmierci kilku osób. Gazy uciekające z ogniska pożarowego migrują, w górę, a kiedy natrafią na przeszkodę w postaci nadkładu skał, nagromadzone, mogą doprowadzić do wybuchu. Dowodem jest to, że większość skał, jakie znajdujemy na hałdach, występuje w formie brekcji – porozrywanych fragmentów skał, zlepionych jeszcze innym materiałem i wzajemnie stopionych termicznie.

Powstawanie nowych minerałów czy skał w naturalnym środowisku geologicznym to jest często kwestia milionów lat. A o jakiej skali czasu mówimy w przypadku hałd?

Tutaj również jest swoisty chaos. Znajdujemy na hałdach minerały typowo wulkaniczne, jak chociażby salmiak rodzimy, czyli chlorek amonu, który na marginesie jest wykorzystywany przy produkcji skandynawskich słodyczy o smaku lukrecji. Znane są doniesienia, że do dawnej Europy trafiała tzw. “sól Amona”, która miałaby być wydobywana w innej naturalnej strefie pożarowej, aktywnej do dziś, w środkowym Tadżykistanie. Chlorek amonu powstaje dosłownie w ciągu kilku minut, jak nie sekund. To jest najmniejsza skala czasu, o jakiej mowa. Granicą górną pod tym względem jest okres, który oceniłbym na nawet 10-20 lat, ponieważ minerały wysokotemperaturowe mogą potrzebować więcej czasu na wykrystalizowanie.

Czytaj też: Od małych minerałów do wielkich interpretacji. Historia wczesnej Ziemi skrywa wiele tajemnic [WYWIAD]

Grubokrystaliczny okaz salmiaku, którego pomarańczową barwę nadają inkluzje nowego minerału o unikalnej kombinacji chemicznej – jest to jodobizmutan, prawdopodobnie amonowy (badania w toku); hałda KWK “Marcel” w Radlinie (Rybnicki Okręg Węglowy) / fot. Łukasz Kruszewski
Grubokrystaliczny okaz salmiaku, którego pomarańczową barwę nadają inkluzje nowego minerału o unikalnej kombinacji chemicznej – jest to jodobizmutan, prawdopodobnie amonowy (badania w toku); hałda KWK “Marcel” w Radlinie (Rybnicki Okręg Węglowy) / fot. Łukasz Kruszewski

Zdarza się niekiedy, że odkrywane są na hałdach zupełnie nowe minerały o niespotykanym dotąd składzie?

Tak, takie minerały są odkrywane, ale zatwierdzane przez Międzynarodową Komisję Mineralogiczną dopiero od trzech lat. Warto wspomnieć, że mineralodzy posiadają własną komisję naukową, a mineralogia jest oddzielną dziedziną nauki od chemii, a nawet starszą od niej. Niestety, to dziedzina trochę zapomniana, trochę nierozumiana, a trochę traktowana “po macoszemu”, stąd liczne błędy, na jakie możemy się natknąć w internecie. IMA (ang. International Mineralogical Association) zatwierdza tylko te minerały, które powstały w sposób naturalny, jednak przez długi czas nie akceptowała tych, które odkrywano na hałdach. Za powód podawano chociażby to, że hałda może być przez kogoś celowo podpalana i nie wszystkie pożary zachodzą tam naturalnie. Na szczęście dzięki działaniom naukowców z Polski, są już zatwierdzane nowe minerały, które tworzą się na hałdach. Znamy z Czech kilka takich minerałów, a ja natomiast w swoich badaniach trafiłem na kilkanaście substancji, które będziemy próbowali zgłaszać do IMA jako nowe gatunki mineralne.

To chyba nie będzie łatwy proces…

To jest taka droga cierniowa. Pokazać, że badany obiekt to nowy minerał, który jest nową substancją, nie jest w sumie trudno. Może jednak nastąpić sytuacja, gdy mamy nowy minerał, który ma już znany nam skład chemiczny (np. ditlenek krzemu), ale posiada inną strukturę, czyli inny sposób rozmieszczenia atomów w krysztale – a to już trudniej udowodnić. Za przykład mogę podać kwarc, trydymit i cristobalit– skład chemiczny mają w zasadzie identyczny, ale sposób rozmieszczenia atomów tlenu i krzemu jest różny. Podobne sytuacje spotykamy również na hałdach. Ponadto niestety sporo z tych substancji, jakie znajdujemy, są chemicznie nietrwałe.

Chociażby taki kremersyt, tak?

Zgadza się. Jest to minerał, który znamy także z wulkanów; nazywam go swoistym „auto-frankensteinem”. Tworzy on piękne, choć małe, czerwone kryształy i powstaje z ekshalacji gazowych, również na hałdach. Ale kiedy zostaje on wydobyty na powierzchnię, zaczyna się rozpuszczać. Rozpuszcza się nie tylko na kontakcie z wilgocią z powietrza, ale także we własnej wodzie, którą zawiera. Wówczas zamienia się on w ciemmnożółty roztwór, który jest bardzo żrący. Jest to minerał, który poniekąd sam siebie unicestwia. W nauce nazywamy takie zjawisko metastabilnością.

Czytaj też: Marsjański minerał znaleziony w lodzie Antarktyki. Na Ziemi jest niezwykle rzadki

Zatem czekamy teraz na to, czy nowe minerały odkryte na hałdach zostaną zatwierdzone przez IMA, ale nie zapominajmy, że przecież jeden minerał udało się Panu zatwierdzić. Nie występuje on na terenie Polski, ale Polak miał udział w jego odkryciu.

I to tego odkrycia doszło zupełnie przypadkowo. Przyznam nieskromnie, że sam brałem w tym udział. Stało się to w czasach, gdy byłem jeszcze doktorantem i działałem w Kole Młodych Geologów na Uniwersytecie Warszawskim. Miałem okazję wówczas udać się na ekspedycję na Półwysep Kolski w Rosji, do masywów Chibiny i Łowoziero, które są zbudowane z magmowych skał alkalicznych, czyli takich o bardzo małej zawartości wolnej krzemionki. Właściwie nie spotkamy w nich tak powszechnego w innych skałach kwarcu. Natomiast posiadają one w swoim składzie sód, potas, cyrkon (pierwiastek), czy pierwiastki ziem rzadkich, tak bardzo dziś poszukiwane na świecie. Konkretnie te skały w tych masywach nazywamy syenitami nefelinowymi.

Jest to prawdziwa mekka dla mineralogów, ponieważ spotyka się tam na jeden metr kwadratowy niewyobrażalną liczbę różnych minerałów. Co najmniej od 20 lat, ale może być i dłużej, rokrocznie, odkrywany jest tam co najmniej jeden nowy minerał. Tak naprawdę pojechać tam i nie znaleźć nowego minerału, to jest w pewnym sensie niemożliwe. Nasz zespół nie był nastawiony na szukanie czegoś nowego – pojechaliśmy tam m.in. w celach kolekcjonerskich. Udaliśmy się do doliny, której nazwa w przetłumaczeniu z rosyjskiego brzmi dosłownie Wąwóz Astrofyllitowy, a wzięła się od tego minerału, które nagromadzenie jest tam ogromne. Możemy mówić nawet w tym przypadku o złożu astrofyllitu. Wówczas, podczas spaceru w tym wąwozie, dostrzegłem minerał wyróżniający się od otoczenia swoją pomarańczowo-żółtą barwą. Zabrałem go, nie mając pojęcia, co to jest.

Zdjęcie minerału siudaitu, szerokość zdjęcia 8 mm / for. Łukasz Kruszewski
Zdjęcie minerału siudaitu, szerokość zdjęcia 8 mm / for. Łukasz Kruszewski

Następnie wrócono z nim do Polski. Co się stało dalej?

Po powrocie z ekspedycji minerał przez pewien czas po prostu leżał na półce. W końcu zainteresowałem się nim i wykonałem badania metodą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej, które jest podstawowym narzędziem w mineralogii i chemii. Okazało się, że minerał należy do grupy eudialitu. Eudialit to czerwono-różowy minerał, z którego Rosjanie produkują wiele ozdób. Jednak okazuje się, że ten minerał ma wiele odmian ze względu na barwę i nie tylko. Obecnie znamy już około 20 minerałów należących do tej grupy. Jest to jedna z najbardziej skomplikowanych grup minerałów krzemianowych, które są o tyle ciekawe, że nazywa się je związkami mikrositowymi (sitami molekularnymi). Oznacza to, że ich struktura jest labilna i bardzo łatwo niektóre pierwiastki mogą być z nich wyrzucone, a inne mogą być wprowadzone, jak np. radionuklidy.

Czyli w dobie badań jądrowych minerały z grupy eudialitu mogą być bardzo poszukiwane?

Tak. Minerały, które mogą zamykać w sobie radionuklidy, są niezwykle cenne. Mowa tutaj o takich radionuklidach jak radiostront i radiocez.

To jest jeden z zapewne wielu przykładów, dlaczego warto ciągle szukać nowych minerałów. Wróćmy jednak do naszego okazu nowego minerału.

Aby stwierdzić, z jakim dokładnie mamy do czynienia minerałem z grupy eudialitu trzeba wykonać co najmniej pięć lub sześć różnych analiz. Uznałem, że skontaktuję się z grupą badaczy z Rosji, która zajmuje się głównie minerałami tego rodzaju. Wysłałem im mój okaz, a oni stwierdzili, że choć mają podobne u siebie na półce, to jest to odmiana istniejącego już minerału z grupy eudialitu. Ale! Po dwóch tygodniach odezwali się do mnie ponownie. Okazało się, że wykonali jeszcze dokładniejsze badania i jest potwierdzone, że jest to zupełnie nowy minerał. Od razu mi wtedy pogratulowali.

Czytaj też: Na Islandii geolodzy otworzą „wrota piekieł”. Dlaczego chcą wiercić w wulkanie?

A jak wymyślono nazwę dla nowego minerału?

To było bardzo miłe ze strony rosyjskich mineralogów, że spytali się mnie, jaką chciałbym nadać mu nazwę. Co prawda mieli swój pomysł, ale ich nazwa byłaby bardziej skomplikowana. Skorzystałem z prawa odkrywcy do zaproponowania nazwy dla swojego minerału. “Siudait” to nazwa na cześć kolegi po fachu, który był prowodyrem całej tej inicjatywy, a i czynnym uczestnikiem wyprawy. Ciekawostką niech będzie fakt – o którym przekonałem się później: słowo “siuda” po rosyjsku znaczy m.in. “tutaj”, ale można go także użyć do stwierdzenia “powracać”. A siudait, faktycznie, wrócił do swojego kraju. Być może dlatego Rosjanie nie oponowali…