Известняк: химическая осадочная порода карбоната кальция

Содержание

• Что такое известняк?
• Как образуется известняк?
• Формирование доломита из известняка
• Другие типы карбонатной породы
• Горные карбонатные породы
• Использование известняка
• Нехватка портландцемента
• Источники известняка в будущем
• Шаблоны производства известняка
• Некоторые проблемы в добыче известняка
• Необходимость понять основные ресурсы
• Промышленное потребление известняка в США

Изделия из известняка: Известняк является важнейшим минеральным товаром национального значения. На этой фотографии показаны некоторые из многих продуктов, изготовленных с использованием известняка: хлопья для завтрака, краски, таблетки с добавками кальция, мраморная столешница, антацидные таблетки, высококачественная бумага, белые кровельные гранулы и портландцемент. (Фотография USGS; использование торговых названий, названий фирм или продуктов только для наглядности и не подразумевает одобрения правительством США.)

Индиана известняк в здании Апекс: Многие здания в столице Наций покрыты известняком. Здание Apex / Федеральная торговая комиссия имеет верхнюю часть известняка Индианы. (Фотография USGS.)

Что такое известняк?

«Известняк» означает любую породу, образованную в основном карбонатом кальция (CaCO₃), но для геологов известняк является лишь одним из нескольких типов «карбонатных пород». Эти породы состоят из более чем 50% карбонатных минералов, как правило, минералов кальцита (чистый CaCO₃) или доломит (кальций-магниевый карбонат, CaMg₂) или оба.

Как образуется известняк?

Большинство карбонатных пород было отложено из морской воды. Эти осадочные карбонатные породы распространены на каждом континенте и сформировались на протяжении большей части геологической истории; они все еще формируются сегодня в тропиках в виде коралловых рифов и на дне мелкого моря.

Морской известняк образуется, потому что в морской воде есть высокие концентрации двух ключевых растворенных химических веществ - кальция⁺⁺) и бикарбонат (HCO_3-) ионы. В приповерхностном слое большинства океанов кораллы, моллюски и другие морские обитатели используют эти два химических вещества для создания защитных оболочек, комбинируя их в кальцит или «арагонит», который имеет тот же химический состав, что и кальцит, но имеет разные кристаллические формы.

Выгребная яма в Винтер Парк, Флорида: Большие объемы известняка могут быть растворены и унесены поверхностными и подземными водами. Это создает пещеры, такие как Carlsbad Caverns в Нью-Мексико (фото ниже). В условиях влажного климата образование пещер особенно распространено, и в местах обрушения пещерных потолков могут образоваться провалы. В 1981 году в Уинтер-парке, штат Флорида, когда рухнул потолок в известняковой пещере, провал в колодце около 240 футов в ширину. Пещера и воронка находятся в формации кипарисовой головки, которая является важным водоносным горизонтом в центральной Флориде. В кавернозных известняковых водоносных горизонтах загрязняющие вещества в подземных водах перемещаются гораздо быстрее, чем в других типах горных пород, поэтому карьеры в таких районах представляют особую проблему. (Фотография USGS.)

Формирование доломита из известняка

Некоторые известняки были изменены путем введения магния в подземные воды. Магний в подземных водах может преобразовать часть или весь кальцит в известняке в доломит. Кроме того, некоторые породы, сформировавшиеся вблизи берегов древних морей в засушливых климатических условиях, были в основном доломитами во время их отложения.

Известняковая пещера: Сталактиты свисают с потолка, а сталагмиты поднимаются из-под пола Карлсбадских пещер в Нью-Мексико в пределах 260-миллионного известняка. (Служба национальных парков фотография.)

Другие типы карбонатной породы

Известняк бывает разных сортов. Мел - очень мелкозернистый, пористый морской известняк, состоящий почти полностью из микроскопических окаменелостей. Травертин - это пресноводный осадочный известняк, который имеет очень тонкие зубчатые слои и обычно образуется в источниках. Мрамор - это карбонатная порода, обычно морской известняк, которая была сжата и деформирована, как пластик, под воздействием высокой температуры и давления глубоко под поверхностью Земли. Этот процесс называется «метаморфизм». Есть также редкие "магматические" карбонатные породы, которые кристаллизовались из расплавленной магмы так же, как лавы или граниты. Они называются «карбонатитами», и этот тип породы добывается в нескольких местах в мире как промышленный известняк.

Горные карбонатные породы

Осадочные известняковые отложения могут быть обширными, занимая сотни квадратных миль, и могут быть относительно однородными по толщине и качеству. Поэтому карьеры известняка могут быть большими и долгоживущими, добывая слои известняка, которые могут иметь толщину в сотни футов на площади в несколько квадратных миль. Многие карьеры производят несколько продуктов, и дробленые породы, которые недостаточно чисты для определенных применений, все еще могут быть пригодны в качестве дорожного заполнителя. Мраморные карьеры также могут быть очень большими. Однако эти породы, которые когда-то были регулярно залегают, были превращены в тела неправильной формы, которые труднее и дороже добывать.

В значительной части Соединенных Штатов имеются обширные залежи морского известняка разного возраста от нескольких тысяч до более 350 миллионов лет. Некоторые месторождения имеют химическое содержание до 95% CaCO₃, Тем не менее, в некоторых районах совершенно нет подходящих месторождений известняка. Большая часть стоимости известняка для покупателя определяется тем, как далеко он находится и как он поставляется. Доставка на барже по воде дешевле, чем поездом, который, в свою очередь, дешевле, чем доставка грузовиком.

Использование известняка

Известняк имеет множество промышленных применений и может использоваться как добытый или переработанный в широкий спектр продуктов. Это сырье для различных строительных, сельскохозяйственных, экологических и промышленных материалов.

Известняк используется в строительстве практически везде. В 2007 году дробленый известняк составлял 68% всей щебня, произведенного в Соединенных Штатах. Кроме того, известняк является ключевым ингредиентом в производстве портландцемента. Несмотря на обилие известняка в наших странах, в последние годы наблюдается нехватка цемента.

Некоторые из самых чистых природных известняков - мрамор. На протяжении веков мрамор был декоративным камнем в правительственных зданиях и общественных статуях. Травертин также используется в качестве размерного камня в плитках и столешницах. Некоторый белый известняк просто дробится и просеивается для использования в озеленении и кровле.

Порошковый известняк используется для удаления примесей из расплавленных металлов, таких как сталь. Он также может удалять токсичные соединения из выхлопных газов угольных электростанций. Известняк используется в качестве наполнителя в различных продуктах, включая бумагу, пластик и краску. Самый чистый известняк даже используется в продуктах питания и лекарствах, таких как сухие завтраки и таблетки кальция.

Известняк также является сырьем для производства извести (CaO), которая используется для обработки почв, очистки воды и выплавки меди. Известь имеет много дополнительных применений в химической промышленности.

Доломиты обычно менее пригодны, чем другие промышленные известняки, для большинства применений. Большая часть добываемого доломита просто дробится и просеивается для использования в качестве заполнителя в бетоне или асфальте.

Нехватка портландцемента

Портландцемент является одним из важнейших продуктов из известняка. Это важно во многих строительных приложениях. Соединенные Штаты не являются самодостаточными в цементе и должны импортировать его из других стран, чтобы восполнить дефицит. Импорт клинкера (продукта с первого этапа производства цемента) и готового цемента составлял около 23% от общего объема продаж цемента в США в 2006 году. В годы, предшествовавшие 2007 году, в стране не хватало портландцемента. Конкуренция со стороны других стран, неадекватная морская транспортная система и недооцененные грузовые пространства были среди причин.

Когда портландцемента было очень мало, его цена значительно возросла. Потребители искали заменители. Они использовали древесину, обработанную под давлением, изолированную сталь и полистирол в панелях, и даже переработали нижние колонтитулы здания, чтобы уменьшить количество необходимого цемента. Нехватка цемента также привела к задержкам строительства, что привело к увеличению затрат на дороги, мосты и здания.

Источники известняка в будущем

Создание новых карьеров по производству известняка и цементных заводов в Соединенных Штатах - процесс медленный, а дефицит поставок требует времени для исправления. Строительство нового цементного завода занимает около 2 лет, а процесс выдачи разрешений может занять гораздо больше времени - от 8 до 10 лет. Возможно, еще более сложной проблемой является то, что люди могут не приветствовать новые карьеры и заводы в их районе. Несмотря на эти препятствия, многие американские цементные компании находятся в процессе расширения и модернизации своей деятельности.

Когда область подходящего и добываемого камня поглощается городским ростом или когда добыча становится запрещенной законодательством или зонированием, результат называется «стерилизация ресурсов». Известняк - это материал общегосударственного значения, и стерилизация ресурсов может привести к более длительной транспортировке при более высоких затратах от карьера до потребителя.

Шаблоны производства известняка

Большая часть добываемого известняка дробится для получения заполнителя. Большая часть производства щебня в США производится из известняка как минимум в течение последних 40 лет. Это верно, даже если карбонатные породы составляют только от 25 до 35% пород на поверхности.

Количество работ по производству щебня в США сокращается, что составляет около 20% потерь за десятилетие с 1971 года. Однако в период с 2001 по 2006 год общий годовой объем производства известняка в США увеличивался в соответствии с кратким обзором минеральных сырьевых товаров США (USGS), поэтому средний размер Карьер увеличивается. В других частях света новое производство поступает в основном из нескольких очень крупных карьеров. Несмотря на увеличение производства в США, страна импортировала все больше и больше известняковой продукции до недавнего спада в строительстве. Этот импорт поступает в основном из Канады, Мексики и Китая. При уменьшении количества карьеров среднее расстояние перевозки будет увеличиваться, и цены на известняк, вероятно, увеличатся еще раз.

Некоторые проблемы в добыче известняка

Известняк чаще всего добывают из карьера. Тем не менее, подземные шахты из известняка находятся в местах в центральной и восточной части Соединенных Штатов, особенно в городах и вблизи них. Подземная добыча известняка имеет некоторые преимущества по сравнению с открытым способом и, вероятно, в будущем возрастет. Типичные общественные опасения по поводу добычи известняка включают пыль, шум, взрывную вибрацию, а также грузовые автомобили и другое движение, связанное с работами на карьере.

Некоторые известняки также являются водоносными слоями, то есть являются каменными единицами, которые могут подавать воду в колодцы. Там, где известняк является водоносным горизонтом, могут возникать опасения, что загрязняющие вещества в результате работ по разработке карьера могут попасть в грунтовые воды.

Во многих районах Соединенных Штатов, где обнаружен известняк, он постепенно растворяется в дождевой воде на поверхности или в поверхностных подземных водах. Во влажном климате большие объемы известняка растворяются и уносятся в воду. Это создает пещеры, и провалы могут развиваться там, где разрушаются потолки пещер. В кавернозных известняковых водоносных горизонтах загрязняющие вещества в подземных водах перемещаются гораздо быстрее, чем в других типах горных пород, поэтому карьеры в таких районах представляют особую проблему.

Необходимость понять основные ресурсы

Известняк является одним из самых важных ресурсов наших наций. Наше понимание этого ресурса как промышленного минерала плохое, учитывая его важность для нашей экономики. Поскольку известняк был расценен как «обычная» порода, ранние геологические исследования были ограничены по объему. В прошлом большинство исследований USGS по известнякам было сосредоточено на картировании месторождений, а также на понимании их роли в качестве водоносных горизонтов и нефтяных пластов. Однако для характеристики известняка, пригодного для строительства и других отраслей, необходимы разные данные. Карбонатные породы должны соответствовать требованиям химической чистоты, которые зависят от предполагаемого использования. Некоторые виды применения требуют, чтобы известняк также имел определенные благоприятные технические свойства. Стандарты и требования к использованию известняка растут, и требуется более глубокое понимание характеристик, изменчивости и инженерных свойств известняка.

Известняк является одним из самых важных ресурсов наших наций. Наше понимание этого ресурса как промышленного минерала плохое, учитывая его важность для нашей экономики. Поскольку известняк был расценен как «обычная» порода, ранние геологические исследования были ограничены по объему. В прошлом большинство исследований USGS по известнякам было сосредоточено на картировании месторождений, а также на понимании их роли в качестве водоносных горизонтов и нефтяных пластов. Однако для характеристики известняка, пригодного для строительства и других отраслей, необходимы разные данные. Карбонатные породы должны соответствовать требованиям химической чистоты, которые зависят от предполагаемого использования. Некоторые виды применения требуют, чтобы известняк также имел определенные благоприятные технические свойства. Стандарты и требования к использованию известняка растут, и требуется более глубокое понимание характеристик, изменчивости и инженерных свойств известняка.

Промышленное потребление известняка в США

Как геологические, так и экономические ограничения, безусловно, повлияют на будущие поставки известняка. В настоящее время Соединенные Штаты потребляют от 5 до 10% мирового производства промышленного известняка. В 2007 году внутреннее производство промышленного известняка составило около 1,3 миллиарда метрических тонн, на сумму более 25 миллиардов долларов. В том же году страна импортировала около 430 000 метрических тонн промышленного известняка и известняковых изделий на сумму около 2,2 миллиарда долларов. Большая часть этого импорта составляла портландцемент.

Решение проблемы удовлетворения потребностей Северной и Южной Америки в основных минеральных ресурсах, таких как промышленный известняк, требует точных и объективных научных данных. Текущая работа ученых с Программой полезных ископаемых USGS предоставляет информацию, необходимую для выработки разумной политики, которая поможет обеспечить будущие поставки минеральных ресурсов.