Czerwone skały w miejscu, gdzie powinien znajdować się węgiel, to widok, który zaskoczył naukowców z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. To początkowo niewytłumaczalne zjawisko przerodziło się w kilkuletnie badania w poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie, dlaczego w południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego pokłady węgla nagle zanikają.

Od lewej: dr Dominik Jura, prof. dr hab. Monika Fabiańska i dr hab. Justyna Ciesielczuk, prof. UŚ w magazynie próbek

Próbka czerwonych i kremowych skał występujących w miejscu zanikającego pokładu węgla kamiennego w KWK Marcel

Węgiel i skały węglonośne w rdzeniu wiercenia Gołkowice IV z głębokości 1085–1104 m pod powierzchnią terenu

Miał być węgiel, a go nie ma

Zespół naukowców z Instytutu Nauk o Ziemi UŚ w składzie: dr hab. Justyna Ciesielczuk, prof. UŚ, prof. dr hab. Monika Fabiańska oraz dr Dominik Jura realizował w latach 2017–2021 projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, którego celem było zbadanie wpływu pożarów kopalnych na skład geochemiczny i mineralny skał węglonośnych w południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W trakcie trwania projektu zebrano tak wiele danych, że analiza zebranego materiału nadal trwa.

W okolicach Jastrzębia-Zdroju i Rybnika kopalnie funkcjonowały od połowy XIX wieku. W czasie eksploatacji okazało się, że 10–15% pokładów węgla zanikło w miejscach, gdzie powinny się znajdować. Efektem tego było zamknięcie kopalń.

– W kopalni Marcel w miejscu, gdzie pokład węgla powinien występować w sposób naturalny, okazało się, że pojawiają się skały o czerwonym lub kremowym zabarwieniu. Było to zdumiewające zjawisko, którego nie potrafiliśmy w żaden sposób wytłumaczyć – opowiada dr Dominik Jura.

O czym świadczą czerwone skały?

Naukowcy postanowili sprawdzić, dlaczego w południowo- zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego pokłady węgla nagle zanikają, a w ich miejscu pojawiają się skały o zabarwieniu czerwonym lub kremowym.

– Pomiędzy pokładem węgla a miejscem, gdzie pojawiają się czerwono zabarwione skały, występuje tzw. węgiel martwy, czyli forma przeobrażonego węgla o kostkowym przełamie, bardzo niskiej zawartości części lotnych i odmiennym składzie – wyjaśnia prof. Monika Fabiańska.

W literaturze naukowej pojawiały się różne hipotezy tłumaczące przyczyny tego zjawiska. Na podstawie prowadzonych badań okazało się, że barwne skały wykazują oznaki przeobrażania pod wpływem wysokiej temperatury, co pozwoliło odrzucić hipotezę wietrzenia jako przyczyny przeobrażeń. Źródłem ciepła mogłaby być intruzja magmowa, nie pojawiała się ona jednak w profilu litologicznym. Wyniki badań i doświadczenie zespołu badaczy z UŚ pozwoliły zaproponować inne wyjaśnienie – paleopożar pokładu węgla.

– Takie procesy samoistnego zagrzewania się, m.in. prowadzące do zapłonu materii organicznej, znamy ze składowisk odpadów po eksploatacji węgla kamiennego na terenie Górnego Śląska, ponieważ część hałd paliła się w przeszłości, pali się albo będzie się paliła. Efektem takiego pożaru są skały o charakterystyce bardzo podobnej do tych, jakie występują w sąsiedztwie zanikającego pokładu węgla kamiennego. Proces został zapoczątkowany z ruchami tektonicznymi prowadzącymi do powstania spękań, które pozwoliły, by tlen dotarł do skał bogatych w materię organiczną. Jej utlenianie spowodowało wydzielanie ciepła, a potem zapłon i pożar pokładu węgla – mówi prof. Monika Fabiańska.

Gdy po ustaniu pożaru utrzymuje się jeszcze temperatura szczątkowa podgrzewająca skały, tworzy się węgiel martwy. Zdaniem badaczy z UŚ jednym z potwierdzeń tego, że proces ten zachodził pod powierzchnią, jest fakt, iż skały nadkładu, czyli leżące powyżej, nad palącym się podkładem, uległy przemianie i można w nich znaleźć związki organiczne, które przeniknęły do nich z palącego się pokładu.

Materiał do badań geochemicznych, mineralogicznych, petrograficznych i paleomagnetycznych był pozyskiwany z wierceń wykonywanych przez Państwową Służbę Geologiczną oraz pobierany bezpośrednio z pokładów węgla w KWK Jastrzębie-Bzie oraz KWK Marcel.

– W miejscu występowania zaniku pokładu węgla zobaczyliśmy skały pstre zabarwione na czerwono, biało i żółto. To oznaczało, że zostały zmienione termicznie, bo powinny być szare. Wpływ termiczny został zarejestrowany zarówno w północnej, jak i południowej części kopalni Jas-Mos – wyjaśnia prof. Justyna Ciesielczuk.

Dotarcie do zaniechanych robót górniczych było możliwe dzięki współpracy z absolwentami geologii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach i oficjalnym zgodom władz kopalni.

– Dzięki ich pomocy mogliśmy pozyskać unikatowe próbki zmienionych skał, które wskazywały na obecność węgla w przeszłości geologicznej – mówi dr Dominik Jura.

– Współpracując z naszymi absolwentami, mogliśmy zweryfikować w praktyce ich wiedzę zdobytą na studiach geologicznych na Wydziale Nauk Przyrodniczych. Zobaczyliśmy efekty naszej pracy dydaktycznej i mamy pewność, że wykonaliśmy ją rzetelnie, bo nasi studenci zdobyli odpowiednie umiejętności do pracy. Z rozmów z nimi wiemy też, że mile wspominają okres studiów – przyznaje prof. Justyna Ciesielczuk.

Pożary sprzed milionów lat

Skały będące przedmiotem analizy naukowców zawierały związki organiczne niepasujące do węgla kamiennego, za to charakterystyczne dla węgli brunatnych. Te związki o niskim stopniu przeobrażenia termicznego pojawiły się w materiale skalnym w wyniku odparowania z palącego się lub zagrzewanego pokładu węgla (wtedy jeszcze brunatnego), a następnie sorpcji w skałach ilastych zalegających powyżej i poniżej pokładu węgla. Ich struktury chemiczne nie ulegały już dalszym przemianom. To zaskakująca sytuacja, kiedy w dojrzałych skałach są związki organiczne o niskim stopniu przeobrażenia termicznego. Jedynie zaproponowany scenariusz wewnątrzpokładowego pożaru tłumaczy ich obecność.

Zjawiska zapłonu materii organicznej występowały wielokrotnie w historii Ziemi, gdy wskutek m.in. ruchów tektonicznych tlen został dostarczony do pokładu węgla. Zdarza się to i obecnie na całym świecie, nie tylko w naszym regionie, lecz również np. w kopalniach w Stanach Zjednoczonych, Chinach czy Australii.

Jednym z osiągnięć projektu było określenie czasu występowania pożaru będącego przyczyną zaniku pokładów węgla w GZW.

– Z badań geochronologicznych wynika, że pożar pokładu węgla resetuje czas tworzenia się skały zarejestrowany przez minerały blaszkowe. Próbkę muskowitu wydatowano na 19,2–19,8 mln lat temu, czyli na epokę miocenu. W tym czasie niektóre pokłady węgla były eksponowane na powierzchni ziemi. Ponadto na skutek ruchów tektonicznych nastąpiło zuskokowanie całego bloku skalnego, co było przyczyną dostarczenia tlenu w głębsze partie górotworu, doprowadzając do samozapłonu występujących tam pokładów węgla kamiennego – wyjaśnia prof. Justyna Ciesielczuk.

Problem pożarów pokładów węgla dotyka wszystkich zagłębi węglowych na całym świecie i jest ważny z punktu widzenia ochrony środowiska. Publikacje wyników projektu (6 artykułów w czasopismach międzynarodowych o wysokim impakcie oraz 14 opracowań w materiałach z konferencji naukowych) cieszą się dużym zainteresowaniem środowiska naukowego. Badaczom z UŚ udało się udowodnić główną przyczynę zanikania pokładów węgla w południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, jaką są wewnątrzpokładowe paleopożary, które mogły być poprzedzane pożarami torfowisk, oraz ustalić mechanizm ich powstawania i przebiegu.