Diatomaceous rocks of the Jawornik deposit (the Polish Outer Carpathians): petrophysical and petrographical evaluation.

Beata Figarska-Warchoł, Grażyna Stańczak, Marek Rembiś, Tomasz Toboła

Abstract


Abstract

Diatomites are identified as a group of the critical minerals that are essential to many industrial applications due to a unique combination of their physical properties, i.e. porous and permeable structure, high specific surface area and adsorption capacity, low density and thermal conductivity, and chemical inertness. The present study was undertaken to analyse the relationships between the pore network characteristics, petrophysical parameters, and mineralogical variability of the Lower Miocene diatomites from the Jawornik deposit (Skole Unit, the Polish Outer Carpathians, SE Poland). Five varieties of the diatomites, distinguished on the basis of the macroscopic features, i.e., colour and fracturing effects, have been investigated by SEM, chemical and XRD analysis, mercury intrusion porosimetry, helium pycnometry, and the Vickers hardness tests. Significantly differing are two varieties. The light-coloured, massive and block-forming diatomites consist mainly of poorly cemented siliceous skeletal remains of diatoms, and represent the rocks with high porosity, low bulk density and low microhardness. The dark-gray silicified diatomites with a platy or prismatic splitting reveal obscured microfossils of diatoms and are the most compact and hard rocks, with poor porosity and higher bulk density. The spatial distribution of the field identifiable rock varieties allows selective exploitation of the diatomites with the predictable petrophysical characteristics that define their future use. 


Keywords


critical minerals, diatomite, silica, scanning electron microscopy (SEM), chemical analysis, mercury porosimetry, Vickers microindentation hardness

Full Text:

PDF

References


Avramenko A.S., Cherepanova M.V., Pushkar V.S. & Yarusova S.B., 2015. Diatom characteristics of the Far East siliceous organogenic deposits. Russian Geology and Geophysics, 56, 947–958.

Borkowska M. & Smulikowski K., 1973. Minerały skałotwórcze. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Bolewski A. & Manecki A., 1993. Mineralogia szczegółowa. Wydawnictwo PAE, Warszawa.

Bromowicz J. & Górniak K., 1988. Litologia i sedymentacja margli łąckich wschodniej części płaszczowiny magurskiej (Karpaty fliszowe). Annales Societatis Geologorum Poloniae, 58, 385–421.

Christmann P., 2010. Critical minerals to the EU economy: issues and potential. [in:] Martens P.N. (ed.), Aachen International Mining Symposia, VGE Verlag, Essen, 19–34.

Derkowski A., Środoń J. & McCarty D.K., 2015. Cation exchange capacity and water content of opal in sedimentary basins: Example from the Monterey Formation, California. American Mineralogist, 100, 1244–1256.

Ediz N., Bentli İ. & Tatar İ., 2010. Improvement in filtration characteristics of diatomite by calcination. International Journal of Mineral Processing, 94, 129–134.

Elzea J.M., Odom I.E. & Miles W.J., 1994. Distinguishing well ordered opal-CT and opal-C from high temperature cristobalite by x-ray diffraction. Analytica Chimica Acta, 286, 107–116.

Emmerich K., Steudel A., Schuhmann R., Weidler P.G., Ruf F. & Sohling U., 2010. Mineralogical and physicochemical characterization of a natural bleaching earth containing sepiolite suitable for fast filtration and bioseparation. Clay Minerals, 45, 477–488.

EN-13755:2008. Natural stone test methods – Determination of water absorption at atmospheric pressure. CEN European Committee for Standarization.

EN-1936:2006. Natural stone test methods – Determination of real density and apparent density, and of total and open porosity. CEN European Committee for Standarization.

Flörke O.W., Gratesch H., Martin B., Röller K. & Wirth R., 1991. Nomenclature of microcrystalline and non-crys talline silica minerals, based on structure and micro structure. Neues Jahrbuch Für Mineralogie – Abhandlungen, 163, 1, 19–42.

van Garderen N., Clements F.J., Mezzomo M., Perez Bergmann C. & Graule T., 2011. Investigation of clay content and sintering temperature on attrition resistance of highly porous diatomite based material. Applied Clay Science, 52, 115–121.

Glinicki M.A., Kasperkiewicz J., Sobczak M. & Zieliński M., 2003. Badanie mikrotwardości betonu za pomocą wgłębnika Vickersa. [in:] XLIX Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB „Krynica 2003”: problemy naukowo-badawcze budownictwa, Warszawa – Krynica, 14–19 września 2003 r. T. 3, Konstrukcje betonowe, materiały budowlane, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 139–146.

Granops M., 1989. Badania nad przydatnością diatomitów karpackich w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 56, 9, 3–74.

Graetsch H., 1994. Structural characteristics of opaline and micro-crystalline silica minerals. [in:] Heaney P.J., Prewitt C.T. & Gibbs G.V. (eds), Silica. Physical Behaviour, Geochemistry and Materials Applications, Reviews in Mineralogy, 29, 209–232.

Hein J.R. & Scholl D.W., 1978. Diagenesis and distribution of late Cenozoic volcanic sediment in the southern Bering Sea. Geological Society of America Bulletin, 89, 197–210.

Hurd D.C., 1973. Interactions of biogenic opal, sediment and seawater in the Central Equatorial Pacific. Geochimica et Cosmochimica Acta, 37, 2257–2282.

Ibrahim S.S. & Selim A.Q., 2010. Producing a micro-porous diatomite by a simple classification–calcinations process. The Journal of Ore Dressing, 12, 23, 24–32.

Iler R., 1979. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica. Wiley Interscience, New York.

Janotka I., Krajči L., Uhlík P. & Bačuvčík M., 2014. Natural and calcined clayey diatomite as cement replacement materials: microstructure and pore structure study. International Journal of Research in Engineering and Technology, 3, 13, 20–26.

Jin J., Zheng C. & Yang H., 2014. Natural diatomite modified as novel hydrogen storage material. Functional Materials Letters, 7, 3, 1450027–1–4.

Jones J.B. & Segnit E.R., 1971. The nature of opal. I. Nomenclature and constituent phases. Journal of the Geological Society of Australia, 18, 57–68.

Jones J.B. & Segnit E.R., 1972. Genesis of cristobalite and tridymite at low temperatures. Australian Journal of Earth Sciences, 18, 4, 419–422.

Jucha S. & Kotlarczyk J., 1961. Seria menilitowo-krośnieńska w Karpatach fliszowych. Prace Geologiczne – Polska Akademia Nauk. Oddział w Krakowie. Komisja Nauk Geologicznych, 4, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Kaleta J., Papciak D. & Puszkarewicz A., 2007. Klinoptylolity i diatomity w aspekcie przydatności w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 23, 3, 21–34.

Kastner M., Keene J.B. & Gieskes J.M., 1977. Diagenesis of Siliceous Oozes. 1. Chemical Controls on Rate of Opal-A to Opal-CT Transformation – Experimental Study. Geochimica et Cosmochimica Acta, 41, 1041–1059.

Koszarski L. & Żytko K., 1961. Jasło Shales within the Menilite-Krosno Series in the Middle Carpathians. Biuletyn Instytutu Geologicznego, 166, 87–232.

Kotlarczyk J., 1955. O występowaniu diatomitu we fliszu Karpat polskich. Przegląd Geologiczny, 5, 244.

Kotlarczyk J., 1966. Poziom diatomitowy z warstw krośnieńskich na tle budowy geologicznej jednostki skolskiej w Karpatach polskich. Studia Geologica Polonica, 19, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Kotlarczyk J., 1982. The role of diatoms in sedimentation and biostratigraphy of the Polish Flysch Carpathians. Acta Geologica Academiae Scientiarum Hungaricae, 25, 1–2, 9–21.

Kotlarczyk J., 1988a. Jawornik Ruski – kopalnia diatomitu. Poziom diatomitów z Leszczawki, najmłodsza olistostroma we fliszu. [in:] Kotlarczyk J., Pękala K. & Gucik S. (red.), Karpaty Przemyskie. Przewodnik 59 Zjazdu Polskiego Towarzystwa Geologicznego, Przemyśl, 16–18 września 1988, Wydawnictwa AGH, Kraków, 115–118.

Kotlarczyk J., 1988b. Poziom diatomitów z Leszczawki. Punkt B-3. Jawornik Ruski. 1. Geologia i własności surowca. [in:] Kotlarczyk J., Pękala K. & Gucik S. (red.), Karpaty Przemyskie. Przewodnik 59 Zjazdu Polskiego Towarzystwa Geologicznego, Przemyśl, 16–18 września 1988, Wydawnictwa AGH, Kraków, 149–154.

Kotlarczyk J. & Kaczmarska I., 1987. Two diatoms horizons in the Oligocene and (?) Lower Miocene of the Polish Outer Carpathians. Annales Societatis Geologorum Poloniae, 57, 143–188.

Kotlarczyk J. & Leśniak T., 1990. Dolna część formacji menilitowej z poziomem diatomitów z Futomy w jednostce skolskiej polskich Karpat. Wydawnictwa AGH, Kraków.

Kotlarczyk J., Brożek M. & Michalski M., 1986. Diatomity polskich Karpat – występowanie, jakość, przeróbka i zastosowania. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 2, 3–4, 497–523.

Li X., Li X. & Wang G., 2007. Surface modification of diatomite using polyaniline. Materials Chemistry and Physics, 102, 140–143.

Losic D., Pillar R.J., Dilger T., Mitchell J.G. & Voelcker N.H., 2007. Atomic force microscopy (AFM) characterisation of the porous silica nanostructure of two centric diatoms. Journal of Porous Materials 14, 61–69.

Malata T., 1996. Analiza formalnych wydzieleń litostratygraficznych oraz propozycja podziału jednostki skolskiej polskich Karpat fliszowych. Przegląd Geologiczny, 44, 5, 509–513.

Malata T. & Poprawa P., 2006. Ewolucja subbasenu skolskiego. [in:] Oszczypko N., Uchman A. & Malata E. (red.), Rozwój paleotektoniczny basenów Karpat zewnętrznych i pienińskiego pasa skałkowego, Instytut Nauk Geologicznych Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków, 103–110.

Marcinowski R., Mardal R. & Piotrowska K., 2011. Słownik jednostek litostratygraficznych Polski. Wersja podstawowa (grudzień 2004–2011). PIG, [on-line:] http://slp.pgi.gov.pl/index.php.

Martinovic S., Vlahovic M., Boljanac T. & Pavlovic L., 2006. Preparation of filter aids based on diatomites. International Journal of Mineral Processing, 80, 255–268.

Maynard J.B., 1975. Kinetics of silica adsorption by kaolinite with application to seawater chemistry. American Journal of Science, 275, 1028–1048.

Osmanlioglu A.E., 2007. Natural diatomite process for removal of radioactivity from liquid waste. Applied Radiation and Isotopes 65, 17–20.

Oszczypko N., 2008. Outher Carpathians in Poland. [in:] McCann T. (ed), The Geology of Central Europe. Volume 2: Mesozoic and Cenozoic, Geological Society, London, 1078–1081.

Owen R.B. & Utha-aroon C., 1999. Diatomaceous sedimentation in the Tertiary Lampang Basin, Northern Thailand. Journal of Paleolimnology, 22, 81–95.

Pawloski G.A., 1985. Quantitative determination of mineral content of geological samples by X-Ray diffraction. American Mineralogist, 70, 663–667.

Pedersen G.K. & Surlyk F., 1983. The Fur Formation, a late Palaeocene ash-bearing diatomite from northern Denmark. Bulletin of the Geological Society of Denmark, 32, 43–65.

Puszkarewicz A., 2004. Diatomity w ochronie środowiska. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 218, 38, 109–118.

Radwanek-Bąk B., 2011. Zasoby kopalin Polski w aspekcie oceny surowców krytycznych Unii Europejskiej. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 27, 1, 5–19.

Rajchel J., 1990. Litostratygrafia osadów górnego paleocenu i eocenu jednostki skolskiej. Zeszyty Naukowe – Akademia Górniczo-Hutnicza, 1369. Geologia, 48, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków [with English summary].

Rouquerol J., Avnir D., Fairbridge C.W., Everett D.H., Haynes J.H., Pernicone N., Ramsay J.D.F., Sing K.S.W. & Unger K.K., 1994. Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Reports). Pure & Applied Chemistry, 66, 8, 1739–1758.

Russocki Z., 1981. Zmienność diatomitów w złożu Leszczawka. [in:] Szymańska A. (red.), Nowe kierunki zastosowań diatomitów polskich w gospodarce narodowej: konferencja naukowo-techniczna, Przemyśl, 23–24 maja 1980, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, 30–40.

Siever R. & Woodford N., 1973. Sorption of silica by clay minerals. Geochimica et Cosmochimica Acta, 37, 1851–1880.

Sigg L. & Stumm W., 1981. The interaction of anions and weak acids with the hydrous goethite (α-FeOOH) surface. Colloids & Surfaces, 2, 101–107.

Smoleńska A. & Rembiś M., 2002. Diatomit jako lekkie kruszywo mineralne w tynkach renowacyjnych. [in:] Kruszywa mineralne: surowce, rynek, technologie, jakość: Polanica Zdrój 17–19 kwietnia 2002, Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, 97. Konferencje, 33, Oficyna Wydawnicza PW, Wrocław, 197–203.

Sohling U., Ruf F., Schurz K., Emmerich K., Steudel A., Schuhmann R., Weidler P., Ralla K., Riechers D., Kasper C. & Scheper T., 2009. Natural mixture of silica and smectite as a new clayey material for industrial applications. Clay Minerals, 44, 525–537.

Stańczak G., Rembiś M., Figarska-Warchoł B. & Toboła T., 2015. Fractal characteristics of the pore network in diatomites using mercury porosimetry and image analysis [in:] Polychroniadis E.K., Oral A.Y. & Ozer M. (eds), 2nd International Multidisciplinary Microscopy and Microanalysis Congress, Proceedings of InterM, October 16–19, 2014, Springer Proceedings in Physics, 164, 79–89.

Such P., 2007. Prognozowanie cech petrofizycznych formacji ropogazonośnych i kwalifikacja naftowa potencjalnych skał zbiornikowych. [in:] Górecki W. & Kuśmierek J. et al., Dokumentacja merytoryczna projektu PBS/

PUPW/6/2005, pn. „Badania transgraniczne wgłębnych struktur geologicznych brzeżnej strefy Karpat w aspekcie odkryć i udostępnienia nowych złóż ropy naftowej i gazu ziemnego”. Blok V, Archiwum KSE AGH, Kraków.

Sungworawongpana S. & Pengprecha S., 2011. Calcination Effect of Diatomite to Chromate Adsorption. Procedia Engineering, 8, 53–57.

Szydło A., Garecka M., Jankowski L. & Malata T., 2014. Paleogene microfossils from the submarine debris flows in the Skole Basin (Polish and Ukraine Outer Carpathians). Geology, Geophysics & Environment, 40, 1, 49–65.

Szymakowska F., 1959. Rozwój warstw krośnieńskich w niektórych obszarach Karpat Środkowych. Geological Quar- terly, 3, 3, 620–637.

Śliwowa M. & Russocki Z., 1980. Dokumentacja geologiczna złoża diatomitów Leszczawka, pole Jaworowice-Borow- nica w kat. C1+C2. Gmina Bircza. Woj. przemyskie. OBR- -GSChem, Kraków.

Toboła T., Rembiś M., Figarska-Warchoł B. & Stańczak G., 2015. Fibrous growth of chloride minerals on diatomite saturated with a brine. [in:] Polychroniadis E.K., Oral A.Y. & Ozer M. (eds), 2nd International Multidisciplinary Microscopy and Microanalysis Congress, Proceedings of InterM, October 16–19, 2014, Springer Proceedings in Physics, 164, 73–78.

Vavra C.L., Kaldi J.G. & Sneider R.M., 1992. Geological applications of capillary pressure: a review. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 76, 6, 840–850.

Washburn E.W., 1921. The dynamics of capillary flow. Physical Review, 17, 3, 273–283.

Wey R. & Siffert B., 1961. Réactions de la silice monomoléculaire en solutions avec les ions Al 3+ et Mg 2+ . Colloques Internationaux, 105, Centre National des Recherches Scientifiques, 11–23.

Wieser T., 1969. Clinoptilolite from Lower Eocene Variegated Shales of the external Flysch Carpathians. Bulletin of the Polish Academy of Sciences, 17, 123–129.

Williams L.A. & Crerar D.A., 1985. Silica diagenesis. II. General mechanisms. Journal of Sedimentary Petrology, 55, 312–321.

Williams L.A., Parks G.A. & Crerar D.A., 1985. Silica Diagenesis, I. Solubility Controls. Journal of Sedimentary Petrology, 55, 301–311.

Winkler E.M., 1997. Stone in Architecture: properties, durability. 3 ed. Springer, Berlin.

Xiong P. & Peng J., 2008. Development and characterization of ferrihydrite-modified diatomite as a phosphorus adsorbent. Water Research, 42, 4869–4877.

Yılmaz B. & Ediz N., 2008. The use of raw and calcined diatomite in cement production. Cement & Concrete Composites, 30, 202–211.

Żgiet J., 1963. Spostrzeżenia nad sedymentacją wkładek diatomitów i tufów w Karpatach. Kwartalnik Geologiczny, 7, 714–715.




DOI: https://doi.org/10.7494/geol.2015.41.4.311

Refbacks

  • There are currently no refbacks.