Ruda darniowa – pospolity surowiec który zmienił bieg historii.

Ruda darniowa to pospolita kopalina, powszechnie występująca na terenie Polski. Niska zawartość żelaza 30-50% w rudach darniowych sprawia, że pozyskiwanie żelaza z nich współcześnie jest nieopłacalne, jednakże to eksploatacja właśnie tej kopaliny zmieniła ludzką cywilizację – dostarczyła bowiem materiału do wytwarzania narzędzi znacznie trwalszego, łatwiej dostępnego niż stosowany wcześniej brąz.

Ruda darniowa to skała osadowa powstała ze słabo krystalicznych agregatów mineralnych, w których skład wchodzą kwarc, goethyt, syderyt, lepidokryt, skalenie, a także uwodnione tlenki i wodorotlenki żelaza, tlenki manganu, materiały węglanowe i fosforanowe. Na porowatą strukturę rudy składa się również substancja organiczna – ze skamieniałych szczątków roślinnych – częściowo zastąpiona przez żelaziste węglany.

Występowanie

Czerwono-brunatno zabarwione złoża osiągają zazwyczaj miąższość od kilku centymetrów do najwyżej 1 m. W Polsce zasób ten jest dość powszechny na Niżu Polskim, występuje szczególnie na Mazowszu, Podlasiu, Mazurach, w Wielkopolsce. Polskie zasoby ocenia się na 535 tys. ton, co stanowi dość dużą ilość, szczególnie w kontekście działania w historii niesprzyjających czynników takich jak intensywna eksploatacja i zniszczenia złóż przez zabiegi melioracyjne[1].

Do lat 60. Rudę darniową uwzględniano w bilansie surowców jako ruda żelaza, według kryteriów przemysłu ciężkiego, jednak gdy przestała być wykorzystywana w hutnictwie, a w latach 80. całkowicie zaprzestano jej eksploatacji, przestała być kwalifikowana jako surowiec o znaczeniu ekonomicznym.

Obecnie istnieje tylko jedno udokumentowane złoże: Dębe Małe w rejonie Mińska Mazowieckiego, o zasobach 8 tys. ton. Ostatnia weryfikacja stanu zasobów rudy darniowej, została przeprowadzona w latach 1996-1998, stwierdzono wówczas zmniejszenie nagromadzeń tej kopaliny w stosunku do stanu z lat 60., głównie wskutek melioracji, przeorania łąk, wprowadzenia zabudowy, co spowodowało destrukcję ekosystemów umożliwiających odrodzenie się rudy. W badaniach zidentyfikowano 62 perspektywiczne złoża rud darniowych, skoncentrowane w województwie wielkopolskim, w mniejszym stopniu w województwie podkarpackim, południowej części województwa lubelskiego. Niewielkie złoża występują lokalnie na terenie województw podlaskiego, warmińsko mazurskiego i mazurskiego. Złóż większych, o szacowanych zasobach – powyżej 10 tys. ton, zidentyfikowano 12 na terenie kraju:

• Knyszyn (pow. Mońki),
• Czarny Las (pow. Ostrów Wlkp.),
• Surmin–Kałkowskie (pow. Ostrów Wlkp.),
• Dziwińskie (pow. Kalisz),
• Byliczki (pow. Koło),
• Nad Stawem(pow. Leszno),
• Połajewo (pow. Czarnkow–Trzcianka),
• Baraniec (pow. Pyzdry),
• Białobrzegi (pow. Łańcut),
• Dąbie–Biały Bor (pow. Mielnik),
• Ruda (pow. Łańcut),
• Aleksandrow (pow. Biłgoraj).

Brak jest danych o nagromadzeniach rudy na obszarze województw zachodniopomorskiego i lubuskiego, bowiem tereny te, choć mogą być perspektywiczne, nie zostały objęte badaniami geologicznymi ani w latach 60., ani w późniejszych badaniach weryfikacyjnych.

Narodziny rudy darniowej

Wyróżnia się dwie podstawowe odmiany teksturalne rud darniowych – sypkie i kawałkowe lub skaliste. Według badaczy pierwotna postać rudy jest miałka, dopiero z czasem, w wyniku odwodnienia ulega cementacji i tworzy postać gruzełkowatą, a nawet przybiera postać litych płyt o powierzchni do kilkudziesięciu metrów kwadratowych. Jedną ze specyficznych własności tej kopaliny jest jej odnawialność – wyeksploatowane odpowiednio zrekultywowane tzn. przykryte darnią, z przywróconym przepływem wód – tak by była przywrócona naturalna roślinność i flora bakteryjna gleby, w ciągu kilku lat odnawiają się. Właściwość ta wynika ze specyficznych warunków powstawania tej kopaliny.

Warunkiem powstania rud darniowych jest dopływ natlenionych wód lub wilgotne środowisko z bezpośrednim dostępem tlenu, dlatego ich tworzeniu sprzyjają tereny podmokłe i bagienne, takie jak podmokłe łąki, zakola rzek i jezior itp., gdzie w warunkach umiarkowanego klimatu następuje wytrącanie z roztworów związków żelazowych i ich osadzanie.

Źródłem żelaza dla związków żelazowych niesionych przez wody są gliny lodowcowe, iły, piaski, piaskowce, żwiry i lessy zawierające minerały żelaza występujące w postaci związków tlenkowych, wodorotlenkowych, siarczków, siarczanów, węglanów itd., które w następstwie zachodzących w wodzie procesów utleniania, hydrolizy i hydratacji, a także adsorpcji jonowymiennej zachodzącej na powierzchni minerałów ilastych czy działalności mikroorganizmów uwalniają żelazo ze skał. Jony żelaza są transportowane przez wody podziemne, a następnie, w odpowiednich warunkach geochemicznych, osadzane. Powstające w ten sposób nagromadzenia rud różnią się charakterystyką w zależności od środowiska i zawartości substancji organicznej i mineralnej rudy, w tym zawartości żelaza.

Złoża występujące na terenie Polski wykształciły się stosunkowo niedawno – w holocenie, gdy podczas ocieplenia między zlodowaceniami wystąpiły dogodne, z punktu widzenia środowiskowego i geomorfologicznego, warunki dla ługowania, transportu zawiesiny tlenków i wodorotlenków i ich sedymentacji.

Pierwsze znaleziska świadczące o zastosowaniu kutego żelaza pochodzą z XV w. p.n.e. z terenów Anatolii. Umiejętność ta na północ od Alp pojawiła się ok. 2750 lat temu. Pierwszym surowcem było żelazo meteorytowe. Opracowanie technologii wytopu metalicznego żelaza z rud tlenkowych przypisuje się Hetytom, datując je na połowę II tysiąclecia p.n.e. Na terenie Polski rozkwit hutnictwa żelaza nastąpił w I –IV w. n.e. W tym czasie znajdowały się tu dwa największe centra metalurgii w barbarzyńskiej Europie – świętokrzyskie i mazowieckie (rejon Milanówka, Brwinowa, Pruszkowa).

Wiedza o starożytnej technice wytopu żelaza z rud darniowych znana jest głównie na podstawie odsłoniętych przez archeologów stanowisk do wytapiania żelaza. Jednak sam proces wytopu jest wciąż nieznany. Naukowcy, zarówno historycy jak i inżynierowie, na drodze eksperymentu naukowego próbują odtworzyć podstawy teoretyczne procesu, jednak jak dotąd nie udało się powtórzyć wytopu żelaza w piecu kotlinkowym. Wynika to z faktu, że badania archeologiczne dają jedynie informacje na temat pozostałości poprodukcyjnych, nie zachował się natomiast ani jeden piec; były to bowiem konstrukcje „jednorazowe” – po zakończeniu wypalania, by wyciągnąć łupkę żelaza konieczne było rozbicie pieca.

Obecnie badacze przyjmują, że wytop rud darniowych przebiegał w następujący sposób: nad wykopanym w ziemi zagłębieniem, budowano z gliny zmieszanej z igliwiem lub sieczką stożkowy komin z niewielkimi otworami w dolnej części. By zapewnić dopływ powietrza i możliwość usuwania żużlu do dołka prowadzono ziemny kanał. Taki piec szybowy typu celtyckiego miał wysokość 1-1,5 m i średnicę 0,4-0,60 m i osiągał temperaturę 1200oC. Piec opalany był węglem drzewnym umieszczanym w ziemnej kotlince, do którego po osiągnięciu odpowiedniej temperatury dodawano wysuszoną rudę darniową z domieszką węgla drzewnego. W razie konieczności wdmuchiwano powietrze otworami w kominie za pomocą miechów, choć możliwe, że wystarczający przepływ powietrza dostarczał kanał. Wypalanie rudy trwało około doby i w jego wyniku powstawało 20-30 kg tzw. żelaza gąbczastego – zanieczyszczonej łupy, którą następnie wygrzewano w piecach kopulastych, a potem wielokrotnie przekuwano w celu oczyszczenia z resztek rudy i żużlu, aż do otrzymania kowalnego kęsa, nadającego się do produkcji narzędzi.

Od lat 60. i 70. XX wieku przy okazji eksperymentalnych wytopów organizowany jest festyn w Nowej Słupi – Dymarki Świętokrzyskie, który ma na celu popularyzację wiedzy na temat kultury okresu rozkwitu hutnictwa żelaza na obszarze Gór Świętokrzyskich. Proces wytopu żelaza wciąż inspiruje naukowców do nowych badań. Ostatnim eksperymentalnym wytopem żelaza techniką starożytną miał miejsce na AGH w marcu 2012 roku. Z 20 kg rudy i 30 kg węgla drzewnego uzyskano 2 kg żelaza.

Niska wydajność paradygmatycznej koncepcji dymarki, której ilustracją był przytoczony wyżej eksperyment, stała się inspiracją dla projektu Hutnia. Jej autorem jest inż. Marcin Marciniewski, przewodnik PTTK, który analizując wyniki badań archeologicznych podważył powszechne w świecie naukowym opinie na temat budowy dymarek. Wedle alternatywnej koncepcji, proces w znacznie większym stopniu opierał się na innym surowcu naturalnym – drewnie oraz wykorzystywał zaobserwowane w środowisku naturalnym prawa fizyki, co pozwalało uzyskać dużo większą efektywność niż zakładają opracowania naukowe. Zgodnie z tą koncepcją komin dymarki był wytwarzany z pustych pni drzewa (np. porażonego hubą), oblepionych polepą lessową z przewężeniem. Do rozgrzania pieca służyło drewno, a do wsadu darniowego dodawano także węgla drzewnego. W tak skonstruowanym piecu wytwarzał się gaz drzewny pozwalający uzyskać temperaturę powyżej 1200 stopni. Dodatkowo piece pracowały w układzie kaskadowym – piec i generator gazu drzewnego – co nosiło znamiona procesu technologicznego, w którym najpierw ruda była długotrwale gazowana i wygrzewana, a następnie następowało wytopienie skały płonnej. Przepływ powietrza zapewniano wybierając dogodną lokalizację pieców (na wzgórzach) i zestawianiu kominów obok siebie. W tak zaprojektowanym procesie drewniana konstrukcja dymarki ulega wypaleniu – pozostaje jedynie gliniana polepa i żużel, czyli to, co jest znajdowane na dymarkowych stanowiskach archeologicznych. Inż. Marcinkowski prowadzi badania i eksperymentalne wytopy, a postępy jego prac można śledzić na stronie hutnia.pl.

Pytanie o to jak wyglądał starożytny proces wytopu żelaza na razie nie uzyskało naukowego rozstrzygnięcia…

Nieco więcej wiemy na temat średniowiecznych i nowożytnych technologii. Od XIII w. zaczęły się upowszechniać tzw. wielkie piece – wynalazek pochodzący ze Styrii; zbudowane z glinianej cegły, o znacznie większym kotle i wyższym, osiągającym nawet 4 m kominie. Pozwalało to uzyskać żelazo w postaci płynnej. Do tego rodzaju pieców stosowano wsad stanowiła ruda syderytowa i hematytowa, znacznie wydajniejsze od rudy darniowej.

W Polsce piece tego typu stały się powszechne dopiero w XVIIIw. Z XVI wieku Pochodzą pierwsze kompendia ówczesnej wiedzy na temat pozyskiwania surowców i wytopu żelaza. Warto pamiętać, że podział na zawody rudnika, hutnika i kowala nie przebiegał ostro. Ówczesne huty budowano w bezpośredniej bliskości surowca, na miejscu były też kuźnie i zbieracz rudy często zajmował się jednocześnie wytopem i kuciem metalu, co wiemy z pism dla trudniących się tą branżą. Najbardziej znanymi Traktatami jest De Natura Fossilium (O własnościach kopalin, 1546) i De Re Metallica (O górnictwie i hutnictwie, 1556) Georgiusa Agricoli zbierające całą ówczesną wiedzę o surowcach i metodach wytopu metali. Warto pamiętać o szesnastowiecznym polskim poemacie opisującym stan polskiego górnictwa i hutnictwa: Officina ferraria, abo huta i warstat z kuźniami szlachetnego dzieła żelaznego, autorstwa Walentego Roździeńskiego. Autor, zarządca hut żelaza w Koszęcinie, zawarł w nim praktyczne informacje, także o lokalizacji i jakości rud w poszczególnych regionach:

“Jest ruda, którą łamią właśnie by kamienie,
Której w hrabstwie Pileckim mrzygłodzie i mieni
Dostatek ma, którą tam niwecką nazwano
Po wsi, podle której ją naprzód naleziono.
A stąd i do tych czasów tam w tym miejscu wszę
Kuźnice, w których robią żelazo z tej rudy,
Niweckimi też zową: nad które godniejsze
żelazo być nie może w Polszcze ani lepsze.
Jest to ruda tak dobra, że też z niej może być
I stal, ale ją trzeba dulem z grapow czynić,
Trzeba węgla do tego zaś z młodej sośniny,
Bo do tego węgle złe z inakszej drzewiny.
Ma też ruda niwecka w sobie te własności:
Kiedyby nią przepędził abo z niebaczności
Udał mnicha, iż łupa Żużela nie przejdzie,
Tedy krewkie Żelazo i barzo złe będzie.
Rozmaitego też kształtu tam rudę najdują,
Której wielką obfitość zawżdy wykopują,
Z ziemie, lecz w każdej górze jest jej własność i
Jest twarda, żeleziwa, jest też i wolniejsza.
Przeto tam pospolicie te rudy mieszają
I tak lepsze żelazo — niż z jednej — działają

(…) W Ogrodzieńskim, w Olsztyńskim i w Krzepickim — wszędy
Są też tam jak w Niweckim kamieniste rudy,
Ale nie tej własności ani takiej cnoty
Jak niwecka i nie tak spieszne do roboty.”

Mimo udoskonalania technik wytopu i zastępowania rudy darniowej rudami o większej zawartości żelaza, dymarki nie odeszły całkiem w zapomnienie. Do XIX wieku stosowano je w niewielkich kuźniach, funkcjonujących przy większych dworach i produkujących na własne potrzeby.

W Polsce rudy darniowe do przemysłowego wytopu stali stosowano aż do 1964 roku, dopóki procesy technologiczne i warunki ekonomiczne nie wymagały stosowania lepszych surowców.

Życie poza metalurgią

Rudy darniowe odegrały ważną rolę w historii jako stosunkowo łatwo dostępne źródło żelaza, nie należy jednak zapominać o innych zastosowaniach tej kopaliny.

Ruda darniowa chętnie wykorzystywana była w budownictwie. Ze względu na porowatą strukturę jest odporna na mróz i wilgoć, posiada też własności wentylacyjne, co zwiększa trwałość budowli. Stąd często bloki z rudy darniowej były wmurowywane w naroża czy wykorzystywane do budowy ścian północnych. Brunatna barwa kopaliny czyniła z niej także element dekoracyjny i stanowiła naturalny piorunochron. Nie bez znaczenia pozostawał też fakt, że był to materiał występujący dość powszechnie i łatwo dostępny, znacznie tańszy od cegły ceramicznej.

Współcześnie jednym z najistotniejszych zastosowań rud darniowych, wykorzystujących ich własności sorpcyjne, znanych już od XIX wieku, jest wykorzystanie ich do oczyszczania biogazów. Na bazie odmian sypkich budowane są filtry oczyszczające gazy koksownicze ze związków siarki, dodatkowo posiadające zdolność samooczyszczania. Z wykorzystaniem rud darniowych powstała także technologia oczyszczania dwutlenku węgla ze źródeł wód leczniczych w Krynicy z domieszek siarkowodoru. To zastosowanie rudy może wpłynąć na zmianę postrzegania tego surowca, który współcześnie był traktowany jako kopalina uboczna, bez znaczenia ekonomicznego. Dopiero ostatnie lata przyniosły zmianę spojrzenia na ten surowiec, jako źródło materiałów dla ochrony środowiska. Szczególnie, że przy licznych zaletach, jako sorbent mineralny, jest to surowiec dostępny, łatwy i nieuciążliwy w eksploatacji, niedrogi, a rozpoznane złoża nie są położone na obszarach kolizyjnych z terenami chronionymi.

Ograniczenia formalne i mgliste perspektywy

Przeszkodą w zagospodarowaniu tej wyjątkowej kopaliny są głównie problemy formalne. Brak jest jednolitych kryteriów geologiczno-poszukiwawczych i jakościowych, według których surowiec ten mógłby być bilansowany. Przy prowadzeniu ostatnich prac badawczych posługiwano się kryteriami uwzględniającymi różne zastosowania (przede wszystkim przemysłowe, w hutnictwie, jedynie wstępnie wzięto pod uwagę możliwości sorpcyjne), ale niedostatecznie dostosowanymi do współczesnych perspektyw ich przeznaczenia, co utrudnia rozpoznanie i badania geologiczne. Bez określenia kryteriów bilansowości oraz metodologii prac związanych z wytypowaniem obszarów prognostycznych i perspektywicznych oraz ich badaniem, trudno prowadzić prace poszukiwawcze. Tymczasem nagromadzenia rud zwykle charakteryzują się małymi zasobami i powierzchnią, ponadto ich specyficzna lokalizacja – na podmokłych łąkach, powoduje, że tereny na których występują są zagospodarowywane w sposób ją unicestwiający, np. przez meliorację, zabudowę nieużytków, czy zagospodarowanie na rzecz rolnictwa.

Według obecnie obowiązujących kryteriów bilansowości na podstawie Rozporządzenia Ministra Środowiska (Dz. U. z 2001 r., Nr 153, poz. 1774, z poźn. zm.), uwzględniane w bilansie rudy miałkie i kawałkowe powinny charakteryzować się następującymi parametrami:

• Minimalna miąższość złoża – 0,1m;
• Maksymalny stosunek N/Z – 5
• Minimalna zawartość Fe2O3 35%