Genesis, evolution and economic significance of the northen and the eastern parts of Karapinar-Ayranci coal deposit

Abstract

During the last two decades electric power demand in Turkey is steadily increasing. As total installed capacity is being insufficient for covering the increasing demand, several new power plants fed with imported natural gas are being installed that increased the dependence of the country on imported resources. In this sense domestic coal, particularly this of low rank, is becoming important for the country to decrease the dependence on imported resources. Total coal reserves of Turkey amount to ~13 Gt with low-rank coals (i.e. lignite and sub-bituminous) sharing the greatest part. Karapınar-Ayrancı coal deposit is recently explored and proved being very important due to both its large reserves (1.8 Gt) and the geographical location in south central Turkey. There are plans to exploit the coal for power generation; therefore, determination of its potential environmental impacts and technical problems to be caused by coal is essential.The aim of the present study is to identify the palaeoenvironmental conditions during peat accumulation in the eastern and northern parts of Karapınar-Ayrancı coal deposit; furthermore, the potential environmental impacts from future coal mining and utilization, as well as potential technical problems from coal burning are assessed and measures are proposed. Several (coal and intercalating inorganic sediment) samples were picked up from cores obtained from the eastern and the northern parts of the deposit during the final exploration stages. The samples were analysed for mainly their petrological, mineralogical and geochemical features.Coal seam displays total thickness varying from 12.05 to 40.20 m with cumulative thickness of coal layers ranging from 2.00 to 9.10 m. The inorganic intercalations consist mainly of claystone, mudstone and marl, whereas the coal layers contain several mollusc-bearing layers. Matrix lithotype is the most common along with the mineral-rich one; char-rich lithotype is observed in the eastern part of the deposit only. The coal displays high ash yield (37.5 wt.%, on dry basis), and high contents in volatile matter (avg. 53.1 wt.%, on dry, ash-free basis), total sulphur (avg. 8.6%, on dry, ash-free basis) and hydrogen (avg. 6.8%, on dry, ash-free basis); its calorific value is low (avg. 11.71 MJ/kg, on moist, ash-free basis); it is a low-grade, low-rank coal (lignite).Huminite is the dominant maceral group in both parts of the deposit, whereas liptinite and inertinite display variable concentrations. In the northern part inertinite has generally lower values than in the eastern part. Telohuminite and detrohuminite are the most common huminite subgroups. Inertodetrinite and fusinite are the most common inertinite macerals. Liptinite is mostly represented by liptodetrinite and resinite (fluorinite type). X-ray diffractometry was performed on coal, inorganic sediments and coal ash residues produced after combustion at 750°C. Silicate minerals proved being common in coal; quartz is contained in all coal samples, whereas clay minerals, mica and feldspar show variable concentrations. Sulphur-bearing minerals are presented by sulphates and sulphides in coal. Bassanite is common and gypsum rare, whereas pyrite is the only sulphide contained mostly as minor phase. Carbonate is rarely detected in mollusc-bearing samples only. Halite is contained in coal from eastern part of the deposit. Inorganic samples display similar mineral composition, with the exception of carbonate minerals being dominant phases. Aluminosilicates and Ca-Mg silicates are dominant phases in the coal ash residues; oxides, sulphates (mostly anhydrite) and carbonate minerals (mostly dolomite) are usually contained as minor phases. The predominance of silicates can be explained by reaction of oxides with silicate melt or solid-phase reactions during ashing.Elemental composition of coal from both parts of the deposit shows slight variations due to different geological background and position within the palaeomire. Nevertheless, Al and Fe proved to be major elements (1.18% and 0.48%, respectively). From the remaining the following elements have been determined: As, B, Ba, Be, Bi, Cd, Cs, Co, Cr, Cs, Cu, F, Ga, Ge, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Rb, Re, Sr, Ti, U, V, W, Zn, and Zr. Most of these show intermediate affiliation; however, their mode of occurrence is variable from site to site in the deposit. In the northern part most elements are mostly affiliated with inorganic matter (mostly clastic-aluminosilicate minerals), whereas intermediate affiliation is more common in eastern part.Coal facies indices and lithological features of coal seam suggest that peat was accumulating under pure telmatic to limnotelmatic conditions; however, peat accumulation was ceased several times by water-level rising. Therefore, clastic (e.g. quartz, clay minerals) and authigenic (e.g. pyrite) mineral concentrations are variable. Similar trends are also obvious from elemental composition. High total sulphur, evaporite mineral (e.g. halite) and boron contents point to brackish-saline conditions during peat accumulation; however, high sulphur contents can be related to alkaline conditions. The presence of gastropod fragments along with silica-gel cavity infillings indicates alkaline conditions too. These can be related with a sulphate-rich karstic aquifer, which contributed to palaeomire water supply. Boron and chloride ions can be easily mobilised by circulating fluids within coal, thus, enriching it. Nevertheless, gathered gastropod and ostracod fauna also points to freshwater conditions. All these point out that in the studied parts of the deposit peat accumulated under mesotrophic conditions and the palaeomire was supplied by sulphate-rich, neutral to alkaline groundwater. The total geological reserves of entire Karapınar-Ayrancı deposit and the low calorific values of coal make it suitable as a feeding coal in power plants. On the other hand, the mineralogical and elemental compositions of the coal layers in the studied parts of the deposit could cause environmental impacts (e.g. acid mine drainage, hazardous and toxic gas emissions) and technical problems (e.g. corrosion, slagging) in the boilers of future power plants. These problems can be reduced applying proper coal beneficiation and flue gas control. Simple coal washing tests show some coal quality improvement. Thus, several further studies are essential before final decision on coal utilization and installation of power plants. Beyond these handicaps, Karapınar-Ayrancı coal’s exploitation might have great socio-economic importance at local, regional and national levels.

Κατά τις τελευταίες δυο δεκαετίες η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στην Τουρκία αυξήθηκε με γρήγορους ρυθμούς. Επειδή η συνολική εγκατεστημένη ισχύς της χώρας δεν επαρκούσε για την κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης, εγκαταστάθηκαν αρκετές νέες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής που τροφοδοτούνται με εισαγόμενο φυσικό αέριο, γεγονός που αύξησε την εξάρτηση της Τουρκίας από εισαγόμενους πόρους. Ο εγχώριος γαιάνθρακας, ιδιαίτερα ο λιγνίτης, είναι σε θέση να μειώσει την εξάρτηση της χώρας από τις εισαγωγές. Τα συνολικά αποθέματα γαιάνθρακα της Τουρκίας εκτιμώνται σε ~13 Gt, με αυτόν χαμηλού βαθμού ενανθράκωσης (λιγνίτης και υποβιτουμενιούχος γαιάνθρακας) να αποτελούν το σημαντικότερο ποσοστό. Το κοίτασμα γαιάνθρακα Karapınar-Ayrancı έχει ανακαλυφθεί και ερευνηθεί πρόσφατα και θεωρείται πολύ σημαντικό λόγω των αποθεμάτων του (1,8 Gt) και της γεωγραφικής θέσης στη νότια κεντρική Τουρκία. Έχουν εκπονηθεί σχέδια για εκμετάλλευση του συγκεκριμένου κοιτάσματος. Γι’ αυτόν το λόγο κρίνεται απαραίτητη η διερεύνηση των πιθανών επιπτώσεων στο περιβάλλον και των πιθανών προβλημάτων από την εκμετάλλευση του συγκεκριμένου γαιάνθρακα. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο προσδιορισμός των συνθηκών του παλαιοπεριβάλλοντος κατά τη διάρκεια της συσσώρευσης τύρφης στα ανατολικά και βόρεια τμήματα του κοιτάσματος Karapınar-Ayrancı. Επιπρόσθετα εκτιμώνται οι πιθανές περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη μελλοντική εξόρυξη και αξιοποίηση του γαιάνθρακα, καθώς και πιθανά τεχνικά προβλήματα από την καύση γαιάνθρακα και προτείνονται αντίστοιχα μέτρα. Για τον σκοπό αυτόν επιλέχθηκαν δείγματα γαιάνθρακα και ανοργάνων ιζημάτων (ενδιάμεσα στείρα) από τα ανατολικά και βόρεια τμήματα του κοιτάσματος κατά τα τελευταία στάδια της γεωλογικής έρευνας. Τα δείγματα εξετάστηκαν κυρίως ως προς την πετρολογική, ορυκτολογική και γεωχημική σύσταση. Το συνολικό πάχος της ανθρακοφόρας στιβάδας κυμαίνεται από 12,05 έως 40,20 m με αθροιστικό πάχος των στρωμάτων γαιάνθρακα από 2,00 έως 9,10 m. Τα ενδιάμεσα στείρα είναι αργιλόλιθος, οργανομιγής ιλυόλιθος και μάργα. Επικρατέστερος λιθότυπος είναι ο μαζώδης (matrix) μαζί με τον ορυκτομιγή. Πλούσιος σε εξανθρακώματα (char-rich) λιθότυπος εμφανίζεται μόνο στο ανατολικό τμήμα του κοιτάσματος. Ο γαιάνθρακας παρουσιάζει υψηλή τέφρα (μέσος όρος 37,5%, επί ξηρού) και υψηλή περιεκτικότητα σε πτητικά συστατικά (μ.ό. 53,1%, σε ελεύθερο υγρασίας και τέφρας δείγμα). Το συνολικό θείο (μ.ό. 8,6%, σε ελεύθερο υγρασίας και τέφρας δείγμα) και υδρογόνο (μ.ό. 6.8%, σε ελεύθερο υγρασίας και τέφρας δείγμα) παρουσιάζουν υψηλές τιμές, ενώ η θερμαντική ικανότητα είναι χαμηλή (μ.ό. 11,71 MJ/kg, σε υγρό και ελεύθερο τέφρας δείγμα).Ο χουμινίτης είναι η κυρίαρχη ομάδα maceral και στα δύο τμήματα του κοιτάσματος, ενώ ο λειπτινίτης και ο ινερτινίτης εμφανίζουν μεταβλητές συγκεντρώσεις. Στο βόρειο τμήμα ο ινερτινίτης έχει χαμηλότερες τιμές από ό,τι στο ανατολικό. Ο χουμοτελινίτης και ο χουμοδετρινίτης είναι οι πιο κοινές υπο-ομάδες του χουμινίτη. Ο ινερτοδετρινίτης και ο φουσινίτης είναι τα πιο συχνά απαντώμενα maceral της ομάδας του ινερτινίτη. Ο λειπτινίτης εκπροσωπείται κυρίως από το λειπτοδετρινίτη και το ρητινίτη (τύπος φθορινίτης). Οι ορυκτολογικοί προσδιορισμοί πραγματοποιήθηκαν σε δείγματα γαιάνθρακα και της τέφρας τους στους 750°C, καθώς και σε δείγματα ανόργανων ενδιαμέσων στείρων. Στον γαιάνθρακα τα πυριτικά ορυκτά είναι συνήθη. Χαλαζίας προσδιορίστηκε σ’ όλα τα δείγματα γαιάνθρακα, ενώ τα αργιλικά ορυκτά, ο μαρμαρυγίας και οι άστριοι εμφανίζουν κυμαινόμενες συγκεντρώσεις. Τα ορυκτά του θείου είναι θειικά και θειούχα. Ο βασσανίτης είναι συνήθης και η γύψος σπάνια. Ο πυρίτης είναι το μόνο θειούχο ορυκτό στο γαιάνθρακα ως δευτερεύουσα φάση. Ανθρακικά ορυκτά είναι σπάνια και συνήθως μόνο σε δείγματα με κελύφη. Αλίτης διαπιστώθηκε μόνο στο ανατολικό τμήμα του κοιτάσματος. Τα ανόργανα ενδιάμεσα εμφανίζουν παρόμοια σύσταση, με τα ανθρακικά ορυκτά να αποτελούν την κύρια φάση. Τα αργιλοπυριτικά και τα πυριτικά ορυκτά των Ca-Mg είναι οι κύριες φάσεις στις τέφρες του γαιάνθρακα. Τα οξείδια, τα θειικά ορυκτά (κυρίως ανυδρίτης) και τα ανθρακικά ορυκτά (κυρίως δολομίτης) συνήθως περιέχονται ως δευτερεύουσες φάσεις. Η επικράτηση των πυριτικών ορυκτών μπορεί να εξηγηθεί με την αντίδραση είτε οξειδίων με το πυριτικό τήγμα είτε της στερεάς φάσης κατά τη διάρκεια αποτέφρωσης. Η στοιχειακή σύσταση του γαιάνθρακα διαφοροποιείται στα δύο τμήματα του κοιτάσματος λόγω του διαφορετικού γεωλογικού υποβάθρου και της θέσης στον παλαιοτυρφώνα. Αργίλιο και Fe είναι κύρια στοιχεία (1,18% και 0,48% αντίστοιχα). Ακόμη στα δείγματα γαιάνθρακα προσδιορίστηκαν τα στοιχεία: As, B, Ba, Be, Bi, Cd, Cs, Co, Cr, Cs, Cu, F, Ga, Ge, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Rb, Re, Sr, Ti, U, V, W, Zn, και Zr. Τα περισσότερα από αυτά τα στοιχεία παρουσιάζουν μικτή σύνδεση, αν και αυτή ποικίλλει από θέση και θέση στο κοίτασμα. Στο βόρειο τμήμα τα περισσότερα στοιχεία συνδέονται με το ανόργανο μέρος (κυρίως με κλαστικά αργιλοπυριτικά ορυκτά), ενώ γενικά τα στοιχεία δείχνουν μικτή σύνδεση στο ανατολικό τμήμα του κοιτάσματος.Τα διαγράμματα φάσεων και τα λιθολογικά χαρακτηριστικά της ανθρακοφόρας στιβάδας υποδηλώνουν ότι η τύρφη αποτέθηκε κάτω από αμιγώς τελματικές έως λιμνοτελματικές συνθήκες. Η απόθεση τύρφης διακόπηκε αρκετές φορές από την άνοδο της στάθμης του νερού. Επομένως κλαστικά ορυκτά (π.χ. χαλαζίας, αργιλικά ορυκτά) και αυθιγενή (π.χ. σιδηροπυρίτης) εμφανίζουν μεταβλητές συγκεντρώσεις. Παρόμοιες τάσεις διαπιστώνονται και στη στοιχειακή σύσταση. Υψηλές περιεκτικότητες θείου, εβαποριτών (π.χ. αλίτης) και βορίου υποδηλώνουν υφάλμυρες/αλμυρές συνθήκες κατά τη διάρκεια συσσώρευσης της τύρφης, αν και υψηλή περιεκτικότητα σε θείο μπορεί να σχετίζεται με αλκαλικές συνθήκες. Η παρουσία θραυσμάτων γαστερόποδων μαζί με άμορφο πυριτικό υλικό που πληροί κοιλότητες, δείχνουν επίσης αλκαλικές συνθήκες. Αυτά μπορεί να οφείλονται σε καρστικό υδροφόρο πλούσιο σε θειικά, που τροφοδοτούσε τον παλαιοτυρφώνα. Τα ιόντα βορίου και χλωρίου μπορεί εύκολα να κινητοποιηθούν με την κυκλοφορία υγρών μέσα στον γαιάνθρακα με αποτέλεσμα να τον εμπλουτίζουν. Παρόλα αυτά γαστερόποδα και οστρακώδη που εντοπίστηκαν, υποδηλώνουν συνθήκες ‘γλυκού’ νερού. Όλα αυτά δείχνουν ότι η τύρφη αποτέθηκε κάτω από μεσοτροφικές συνθήκες και ο παλαιοτυρφώνας τροφοδοτιόταν από πλούσια σε θειικά, ουδέτερα έως αλκαλικά υπόγεια ύδατα στα τμήματα του κοιτάσματος που μελετήθηκαν.Το συνολικό γεωλογικό απόθεμα του κοιτάσματος Karapınar-Ayrancı, καθώς και η χαμηλή θερμαντική ικανότητα του γαιάνθρακα τον καθιστούν κατάλληλο για ηλεκτροπαραγωγή. Όμως η ορυκτολογική, πετρολογική και στοιχειακή σύσταση του γαιάνθρακα στις περιοχές του κοιτάσματος που μελετήθηκαν, θα μπορούσαν να έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις (π.χ. όξινη απορροή του ορυχείου, εκπομπή τοξικών αερίων), όπως και τεχνικά προβλήματα (π.χ. διάβρωση, επικαθήσεις) σε λέβητες των μελλοντικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Αυτά τα προβλήματα μπορούν να αμβλυνθούν με εφαρμογή καταλλήλων μεθόδων εμπλουτισμού του γαιάνθρακα και του ελέγχου των καυσαερίων. Μερικές απλές δοκιμές έκπλυσης του γαιάνθρακα δείχνουν ότι είναι εφικτή η βελτίωση της ποιότητας του γαιάνθρακα. Για τον λόγο αυτόν κρίνονται απαραίτητες μελέτες πριν από τη λήψη της τελικής απόφασης σχετικά με τη χρήση του γαιάνθρακα και την εγκατάσταση ηλεκτροπαραγωγικών σταθμών. Πέρα από αυτά τα μειονεκτήματα, η εκμετάλλευση του κοιτάσματος Karapınar-Ayrancı θα μπορούσε να είναι σημαντική κοινωνικοοικονομικά σε τοπικό, περιφερειακό και εθνικό επίπεδο.