Geochemiczno-mineralogiczne uwarunkowania przemian anhydryt-polihalit: implikacje dla zagrożeń sejsmiczno-wodnych i H2S w górnictwie oraz dla jakości składników siarczanowych w materiałach budowlanych

Jędrysek, Mariusz Orion

doi:10.32047/CWB.2025.30.2.4

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Geochemiczno-mineralogiczne uwarunkowania przemian anhydryt-polihalit: implikacje dla zagrożeń sejsmiczno-wodnych i H2S w górnictwie oraz dla jakości składników siarczanowych w materiałach budowlanych

Autorzy

Jędrysek Mariusz Orion

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.cementwapnobeton.pl/

Identyfikatory

DOI

10.32047/CWB.2025.30.2.4

Warianty tytułu

Geochemical-mineralogical factors of anhydrite-to-polyhalite evolution: implications to seismic-water-H2S hazards in mining and quality of sulphate components in building materials

Języki publikacji

PL EN

Abstrakty

Eksploatacja górnicza składników cementu/betonu napotyka czasem problemy powodowane procesami tektonicznymi i zagrożeniami wodnymi podczas wydobycia skał siarczanowych zawierających polihalit. Polihalit to uwodniony siarczan K-Mg-Ca o dużym znaczeniu gospodarczym, w tym także w przemyśle materiałów budowlanych. Z drugiej strony tradycyjne analizy tektoniczne na potrzeby prognozowania zjawisk sejsmicznych i wodnych często akcentują siły zewnętrzne i relaksację naprężeń indukowanych eksploatacją. Rzadko stawia się pytania o pierwotne, wewnętrzne pochodzenie tych sił. Potencjalna kumulacja naprężeń, wynikająca z wewnętrznych uwarunkowań geochemiczno-mineralogicznych [duże skale ściskania/rozciągania i ruchów mas] bywa pomijana. Uniwersalne podejście przedstawione tutaj dotyczy roli geochemicznie indukowanych zmian objętościowo-temperaturowych w połączeniu z postsedymentacyjną transformacją anhydrytu do polihalitu, co w oczywisty sposób implikuje istotne problemy przy wszelkich robotach górniczych prowadzonych w górotworach anhydrytowych. Taka 100% transformacja: a) zwiększa objętość komórek elementarnych o ok. +137,76%, b) jest egzotermiczna, c) podnosi ciśnienie, d) generuje naprężenia, e) wywołuje deformacje: ściskające wewnątrz i rozciągające na zewnątrz, f) prowadzi do wyniesień, g) skutkuje chaotycznymi wiekami K/Ar z rozbieżnościami rzędu milionów lat, h) może powodować sprzężone zagrożenia sejsmotektoniczne-wodne-H2S oraz pozorne osiadanie. Przekształcenia takie dają krytyczne implikacje dla ogólnego spojrzenia na siły tektoniczne i powstawanie złóż, dokumentowanie geologiczne i eksploatację, w szczególności w kontekście zagrożeń wodnych i stateczności podczas wydobycia oraz kwestii środowiskowych [osiadanie/deformacje, wstrząsy, reżim wodny/zanieczyszczenie/zasolenie, H₂S itd.]. Reakcje geochemiczne przyspieszone przez głębokie odwadnianie kopalni mogą prowadzić do szybkich [nawet dni/lata] geochemicznie niewielkich przejść objętościowych anhydryt → polihalit, które jednak skutkują zagrożeniami sejsmotektonicznymi, wodnymi i H₂S – zwłaszcza w systemach wydobywczych anhydryt-dolomit-halit. Odgrywają one kluczową rolę w kształtowaniu właściwości mechanicznych skał, ich deformacji i ruchów. Praca podkreśla potrzebę zintegrowanych analiz geochemicznych i strukturalnych, aby lepiej rozumieć te zjawiska i ograniczać związane z nimi ryzyka – od rozpoznania, przez eksploatację [ekonomia, bezpieczeństwo, zagrożenia wodno-solankowo-osiadaniowe], po geoinżynierię.

Mining exploitation of cement/concrete components experience sometimes problems caused by tectonic process and water hazards during mining of polyhalite-bearing sulphate rocks. Polyhalite is a hydrated K-Mg-Ca sulphate mineral of high economic significance, including construction materials industry. On the other hand, traditional tectonic analyses for seismic/water events prediction, often emphasize external forces and mining-induced stress relaxation. They rarely arise questions on primary origin such forces. Potential cumulation of stress, resulted from internal geochemical-mineralogical origin of such forces, of large-scale compression/tension and mass-movement are often neglected. A universal, approach here concerns the role of geochemical control of volume-temperature variations combined with post-sedimentary transformation of anhydrite to polyhalite what apparently implicates substantial problems during any mining carried out in anhydrite bodies. Such 100% transformation: a) increase volume of elemental cells by c.a. +137,76 %, b) is exothermic, c) elevates pressure d) results stress, e) implicates deformations: compressive inside and tensile outside, f) forms elevations, g) results chaotic K/Ar ages with millions of years discrepancies, h) may result sesimtectonic-water-H2S combined hazards and apparent subsidence. Such transformations have critical implications for general view in tectonic forces and formation of deposits, geological documentation and mining of them, particularly in addressing water, stability hazards during resource extraction and environmental issues [subsidence/deformations, earthquakes, water regime/pollution/salinisation, H2S etc]. The geochemical reactions, accelerated by deep-mine drainage activity, may result in fast [even days/years] geochemically negligible anhydrite-to-polyhalite volume-grow transitions, which however results in seismotectonic- water- and H2S-hazars, especially in anhydrite-dolomite-halite mining systems. They are pivotal in shaping mechanical properties of rocks and their deformations and movement. The study underscores the need for integrated geochemical and structural analyses to better understand these phenomena and mitigate associated risks from exploration to resource extraction [economy, safety, water-brine-subsidence environmental hazards] and geoengineering.

Słowa kluczowe

Wydawca

Fundacja Cement, Wapno, Beton

Czasopismo

Cement Wapno Beton

Rocznik

2025

Tom

R. 30, nr 2

Strony

144--159

Opis fizyczny

Bibliogr. 46 poz., il.

Twórcy

autor

Jędrysek Mariusz Orion

mariusz.jedrysek@uwr.edu.pl

Laboratory of Isotope Geology and Geoecology, Department of Applied Geology, Geochemistry and Environmental Management, Institute of Geological Science, University of Wrocław, Wrocław, Poland

Bibliografia

1. M.O. Jędrysek, Geochemical and mineralogical causes of rock volume changes as a factor in the formation of stresses, elevation, and deformation: considerations based on the example of anhydrites and polyhalites in geological and mining aspects. In: Pikomole puzzles of the functioning of the Universe - A tribute to Stanislaw Halas and thirtieth anniversary of the Laboratory of Isotopic Geology and Geoecology, ed. M.O. Jędrysek, Acta Universitas Wratislaviensis 4238, (2024) [in Polish].
2. L.A. Hardie, On the Significance of Evaporites. Ann. Rev. Earth. Planet.Sci. 19, 131-168 (1991). 10.1146/annurev.ea.19.050191.001023
3. J.K. Warren, Evaporites: A Geological Compendium. Springer Cham Heildelberg New York London, Springer International Publishing Switzerland (2016). https://doi.org/10.1007/978-3-319-13512-0
4. J.K. Warren, Evaporites: Sediments, Resources and Hydrocarbons. Springer Berlin, Heidelberg, (2006). https://doi.org/10.1007/3-540-32344-9
5. J. García-Veigas, F. Ortí, L. Rosell, C. Ayora, J-M. Rouchy, S. Lugli, The Messinian salt of the Mediterranean: Geochemical study of the salt from the Central Sicily Basin and comparison with the Lorca Basin (Spain). Bull. Soc. Geol. France, 166(6), 699-710 (1995).
6. O. Braitsch, Salt Deposits, Their Origin and Composition. Springer Berlin, Heidelberg, (1971). https://doi.org/10.1007/978-3-642-65083-3
7. T.M. Peryt, C. Pierre, S.P. Gryniva, Origin of polyhalite deposits in the Zechstein (Upper Permian) Zdrada platform (northern Poland). Sedimentology, 45, 565-578 (1998). https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.1998.00156.x
8. D. Freyer, W. Voigt, Crystallization and phase stability of CaSO4 and CaSO4-based salts. Monatsh. Chem. 134(5), 693-719 (2003). https://doi.org/10.1007/s00706-003-0590-3
9. A. Putnis, Mineral replacement reactions. Rev. Miner. Geoch. 70(1), 87-124 (2009). https://doi.org/10.2138/rmg.2009.70.3
10. R. Angel, M. Mazzucchelli, J. Gonzalez-Platas, M. Alvaro, A self-consistent approach to describe unit-cell-parameter and volume variations with pressure and temperature. J. Appl. Crystallogr. 54(6), 1621-1630 (2021). https://doi.org/10.1107/S1600576721009092
11. H.H. Teng, How ions and molecules organize to form crystals, Elements 9(3), 189-194 (2013). https://doi.org/10.2113/gselements.9.3.189
12. L.M. Henderson, F.C. Kracek The fractional precipitation of barium and radium chromates. J. Am. Chem. Soc. 49(3), 738-749 (1927). https://doi.org/10.1021/ja01402a017
13. K.N. Olafson, R. Li, B.G. Alamani, J.D. Rimer, Engineering Crystal Modifiers: Bridging Classical and Nonclassical Crystallization. Chem. Mater. 28(23), 8453-8465 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b03550
14. M. Prus, C. Li, K. Kędra-Królik, W. Piasecki, K. Lament, T. Begović, P. Zarzycki, Unseeded, spontaneous nucleation of spherulitic magnesium calcite. J. Colloid Interf. Sci. 593, 359-369 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.03.002
15. S.D. Hovorka, Halite pseudomorphs after gypsum in bedded anhydrite - clue to gypsum±anhydrite relationships. J. Sedim. Petrol. 62(6), 1098-1111 (1992). https://doi.org/10.1306/D4267A5F-2B26-11D7-8648000102C1865D
16. Y. Ennaciri, H. Alaoui-Belghiti, M. Bettach, Comparative study of K2SO4 production by wet conversion from phosphogypsum and synthetic gypsum. J. Mat. Res. Tech. 8(3), 2586-2596 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.02.013
17. A.E.S. Van Driessche, L.G. Benning, J.D. Rodriguez-Blanco, M. Ossorio, P. Bots, J.M. García-Ruiz, The role and implications of bassanite as a stable precursor phase to gypsum precipitation. Science 336(6077), 69-72 (2012). https:/doi.org/10.1126/science.1215648.
18. A. Schorn, F. Neubauer, M. Bernroider, Polyhalite microfabrics in an Alpine evaporite mélange: Hallstatt, Eastern Alps. J. Struct. Geol. 46, 57-75 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jsg.2012.10.006
19. E.S. Newman, L.S. Wells, Heats of hydration and transition of calcium sulfate. J. Res. Nat. Bur. Stand. 20(6), 825-836 (1938). https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/20/jresv20n6p825_A1b.pdf
20. H.F.W. Taylor, Cement Chemistry. Academic Press, 1990.
21. D.K. Nordstrom, Improving Internal Consistency of Standard State Thermodynamic Data for Sulfate Ion, Portlandite, Gypsum, Barite, Celestine, and Associated Ions. Proc. Earth Planet. Sci. 7, 624-627, (2013). https://doi.org/10.1016/j.proeps.2013.03.140
22. D.A. Kulik, Improving the structural consistency of C-S-H solid solution thermodynamic models. Cem. Concr. Res. 41(5), 477-495 (2011). https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.01.012
23. R.D. Shannon, Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides. Acta Crystallogr. A32, 751-767 (1976). https://doi.org/10.1107/S0567739476001551
24. Y. Marcus, Ionic Radii in Aqueous Solutions. Chemi. Rev. 88(8), 1475-1498 (1988). https://doi.org/10.1021/cr00090a003
25. R. Feistel, W. Wagner, A new equation of state for H2O ice. J. Phys. Chemi. Ref. Data 35(2), 1021-1047 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2183324
26. Z. Li, G. Demopoulos, Effect of NaCl, MgCl2, FeCl2, FeCl3, and AlCl3on Solubility of CaSO4 Phases in Aqueous HCl or HCl + CaCl2 Solutions at 298 to 353 K. J. Chem. Eng. Data 51(2), 571-578 (2006). https://doi.org/10.1021/je0504055
27. Warren, J.K. Evaporites: Sediments, Resources and Hydrocarbons. Springer, (Berlin-Heidelberg-New York), (2006) pp. 1036, https://doi.org/10.1007/3-540-32344-9
28. T.K. Lowenstein, L.A. Hardie, M.N. Timofeeff, R.V. Demicco, Secular variation in seawater chemistry and the origin of calcium chloride basinal brines. Geology 31(10), 857-860 (2003). https://doi.org/10.1130/G19728R.1
29. W.J. Shang, M-P. Zheng, Y-S. Zhang, Ji-A. Zhong, E-Y. Xing, Y. Peng, Ba-L Gui, and K. Li, Characteristics and origin of a new type of polyhalite deposit in the Sichuan Basin, China. J. Palaeogeogr. 10, 4 (2021). https://doi.org/10.1186/s42501-021-00083-3
30. A. Wójtowicz, S. Hryniv, Zastosowanie datowania metodą K/Ar polihalitów wschodniego Przedkarpacia w celu wyjaśnienia ich genezy. Prz. Geol. 49(12), 1176-1180 (2001). https://geojournals.pgi.gov.pl/pg/article/view/15081/12915
31. A-V. Bojar, S. Hałas., H.-P. Bojar, A. Trembaczowski, Multiple isotope tracers from Permian-Triassic hydrated sulfates: Implications for fluid-mineral interaction. BSGF - Earth Sci. Bull. 190(11), 1-9 (2019). https://doi.org/10.1051/bsgf/2019010
32. M. Słotwiński, S. Burliga, Controls on evaporite facies distribution during the early phases of the Zechstein Basin development (Zechstein 1, Upper Permian): Implications from the marginal part of the basin in SW Poland. Sedim. Geol. 453, 1-17 (2023). https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2023.106439
33. S. Hałas, A.-V. Bojar, T.M. Peryt, Oxygen isotopes in authigenic quartz from massive salt deposits. Chem. Geol. 402, 1-5 (2015). https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2015.02.034
34. H.R. Krouse, C.A. Viau, L.S. Eliuk, A. Ueda, S. Hałas, Chemical and isotopic evidence of thermochemical sulphate reduction by light hydrocarbon gases in deep carbonate reservoirs. Nature 333, 415-419 (1988). https://doi.org/10.1038/333415a0
35. R.H. Worden, P.C. Smalley, H2S-producing reactions in deep carbonate gas reservoirs: Khuff Formation, Abu Dhabi. Chem. Geol. 133(1-4), 157-171 (1996). https://doi.org/10.1016/S0009-2541(96)00074-5
36. H.G. Machel, Bacterial and thermochemical sulfate reduction in diagenetic settings – old and new insights. Sedim. Geol. 140(1-2), 143-175 (2001). https://doi.org/10.1016/S0037-0738(00)00176-7
37. M. Weber, Conductibilite calorifique des roches et des corps mauvais conducteurs. Sci. Phys. Natur. Arch. 23, 590-591 (1895). https://scispace.com/pdf/thermal-conductivities-of-rocks-xv76gswe73.pdf
38. C. Pauselli, G. Gola, G. Ranalli, P. Mancinelli, F. Trippetta, P. Ballirano, M. Verdoya, Thermal conductivity of Triassic evaporites. Geophys. J. Int. 227, 1715-1729 (2021). https://doi.org/10.1093/gji/ggab293
39. E.C. Robertson, Thermal properties of rocks. U.S. Geological Survey, Open-File Report 88-441, (1988), iv + 106 p. https://doi.org/10.3133/ofr88441.
40. J. Martínez-Martínez, A. Arizzi, D. Benavente, The Role of Calcite Dissolution and Halite Thermal Expansion as Secondary Salt Weathering Mechanisms of Calcite-Bearing Rocks in Marine Environments. Minerals 11(8), 1-15 (2021). https://doi.org/10.3390/min11080911
41. M. Adamuszek, M. Dąbrowski, Sinking of a fragmented anhydrite layer in rock salt. Tectonoph. 766, 40-59 (2019). https://doi.org/10.1016/j.tecto.2019.05.018
42. L. Richards, F. Jourdan, A.S. Collins, R.C. King, Deformation recorded in polyhalite from evaporite detachments revealed by 40Ar/39Ar dating. Geochron. 3, 545-559 (2021). https://doi.org/10.5194/gchron-3-545-2021
43. C. Leitner, F. Neubauer, J. Genser, S. Borojević-Šoštarić, G. Rantitsch, 40Ar/39Ar ages of crystallization and recrystallization of rock-forming polyhalite in Alpine rocksalt deposits. Geological Society, London, Special Publications 378, 207-224 (2014). https://doi.org/10.1144/SP378.5
44. J. Heeb, D. Healy, N.E. Timms, E. Gomez-Rivas, Rapid hydration and weakening of anhydrite under stress: implications for natural hydration in the Earth’s crust and mantle. Solid Earth 14(9), 985-1003 (2023). https://doi.org/10.5194/se-14-985-2023
45. I.J. Reznik, I. Gavrieli, J. Ganor, Kinetics of gypsum nucleation and crystal growth from Dead Sea brine. Geochim. Cosmochim. Acta 73(20), 6218-6230 (2009). https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.07.018
46. G. Wollmann, D. Freyer, W. Voigt, Polyhalite and its analogous triple salts. Monats. Chem. 139, 739-745 (2008). https://doi.org/10.1007/s00706-007-0835-7

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-c0d411ca-dc10-492b-8aa3-119c0374eb93