Abstract

A coal-waste heap in Avion, northern France, that has been undergoing subsurface combustion for several decades, is marked by the occurrence of efflorescences at combustion sites where gas and water vapor escape from surficial cracks and vents. Analysis of the efflorescences show that twenty different species of mineral are present, comprising various sulfates, as well as halides and native sulfur. The constituents needed for the formation of these minerals are ultimately derived from the heap of coal-mine waste, composed mainly of pyrite-bearing carbonaceous shale, coal and minor amounts of sandstone. They may be partly released by acid weathering of waste-heap materials prior to combustion, but largely by thermal decomposition and oxidation of those materials during combustion processes. Formation of the efflorescences near gas-discharge zones indicates transport of constituent to those zones from the inner part of the waste heap, which can occur in the gas phase for some elements (S, N, H and Cl), but would require droplets of water vapor as carriers for most cations. Interaction between condensate solutions and the local debris at the surface of the waste heap may also contribute to cations input prior to the formation of secondary minerals. Most minerals formed from a liquid phase along the rock-debris surface at low temperatures (T ≤ 100°C), as confirmed by the occurrence of fluid inclusions. Only salammoniac, native sulfur and mascagnite (where crystallized as a monocrystalline phase) were formed directly from a gas phase. The coal-waste heap shows great variations in mineral assemblages among sampling sites, which must be related to variations in waste composition and in conditions at the level at which the elements are released and where mineral formation takes place.

Abstract

Un terril de charbon de la ville d’Avion, dans le nord de la France, présente des dépôts minéralisés à la sortie des fissures de surface d’où se sont échappés les gaz et la vapeur d’eau produits par une combustion interne depuis plusieurs décennies. L’analyse des dépôts a permis d’identifier vingt espèces minérales différentes: des sulfates, des halogènes et du soufre natif. Les éléments chimiques constitutifs des dépôts proviennent des schistes pyritifères et de la houille qui constituent le terril. Ils peuvent être libérés lors de l’altération des matériaux du terril par des fluides acides avant la combustion mais, plus largement, ils doivent provenir de la décomposition thermique et de l’oxydation de ces matériaux pendant le processus lié à la combustion. La formation des efflorescences près des zones de décharge de gaz implique un transfert de certains éléments sous forme gazeuse depuis l’intérieur du terril (S, N, H et Cl), mais également en solution dans des gouttelettes de vapeur d’eau entraînées par les gaz pour la plupart des autres cations. L’interaction entre les solutions condensées et les débris de roche à la surface du terril peut également contribuer à apporter des cations avant la formation des minéraux secondaires. La plupart de ceux-ci se sont formés à partir d’une phase liquide à la surface des débris et à des températures basses (T ≤ 100°C), comme le confirme la présence d’inclusions fluides. Seuls le salammoniac, le soufre natif et la mascagnite (en monocristaux) ont été formés directement à partir d’une phase gazeuse. Le terril montre de grandes variations dans les assemblages minéraux parmi les différents sites d’échantillonnage; ces variations peuvent être liées aux différences de composition du terril, aux conditions régnant aux niveaux où les éléments sont libérés ou aux changements de conditions là où se produit la cristallisation des assemblages.

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