Вапняк: Хімічний осадовий камінь карбонату кальцію

Зміст

• Що таке вапняк?
• Як формується вапняк?
• Утворення доломіту з вапняку
• Інші види карбонатної скелі
• Видобуток карбонатних порід
• Використання вапняку
• Нестача портландцементу
• Джерела вапняку в майбутньому
• Шаблони виробництва вапняку
• Деякі проблеми видобутку вапняку
• Необхідність розуміння істотного ресурсу
• США Споживання промислового вапняку

Вироби з вапняку: Вапняк є найважливішим мінеральним товаром загальнодержавного значення. Деякі з багатьох виробів, виготовлених з вапняку, показані на цій фотографії: крупа для сніданку, фарба, таблетки для добавки кальцію, стіл з мармуру, таблетки з антацидами, високоякісний папір, білі покрівельні гранули та портландцемент. (Фотографія USGS; використання торгових, фірмових або товарних найменувань є лише для описових цілей і не передбачає схвалення урядом США.)

Вапняк Індіани в будівлі Apex: Багато будівель у столиці Націй покриті вапняком. Будівля Apex / Федеральна комісія з торгівлі має верхній вигляд вапняку Індіани. (Фотографія USGS.)

Що таке вапняк?

"Вапняк" означає будь-яку породу, утворену здебільшого з карбонату кальцію (CaCO₃), але для геологів вапняк - це лише один із декількох типів "карбонатних порід". Ці породи складаються з понад 50% карбонатних мінералів, як правило, мінералів кальциту (чистий CaCO₃) або доломіт (кальцій-магнієвий карбонат, CaMg₂) або обидва.

Як формується вапняк?

Більшість карбонатних гірських порід осідали з морської води. Ці осадові карбонатні породи поширені на кожному континенті і сформувалися протягом більшої частини геологічної історії; вони все ще утворюються сьогодні в тропіках як коралові рифи та на дні мілководних морів.

Морський вапняк утворюється через те, що морська вода має високі концентрації двох ключових розчинених хімічних речовин - кальцію (Са⁺⁺) і бікарбонатом (HCO_3-) іони. У приповерхневому шарі більшості океанів, коралів, молюсків та інших морських істот використовують ці дві хімічні речовини для виготовлення захисних оболонок, поєднуючи їх, утворюючи кальцит або "арагоніт", який є тим же хімічним складом, що і кальцит, але має різної кристалічної форми.

Синколь в Вінтер Парк, штат Флорида: Великі обсяги вапняку можуть бути розчинені та захоплені поверхневими та ґрунтовими водами. Це створює печери, наприклад, Карлсбадські печери в Нью-Мексико (фото нижче). У вологому кліматі особливо поширене печерове утворення, і там, де руйнуються печерні стелі, можуть розвиватися ями. Раковина на відстані 240 футів на рівні землі відкрилася в 1981 році в Вінтер-Парку, штат Флорида, коли стеля нижньої вапнякової печери обвалилася. Печера і раковина знаходяться в утворенні Cypresshead, яке є важливим водоносним горизонтом в центральній Флориді. У кавернозних вапнякових водоносних горизонтах забруднення в підземних водах рухаються набагато швидше, ніж в інших типах гірських порід, тому кар’єри в таких районах викликають особливе занепокоєння. (Фотографія USGS.)

Утворення доломіту з вапняку

Деякі вапняки були змінені внесенням магнію в ґрунтові води. Магній у ґрунтових водах може перетворити частину або весь кальцит у вапняку в доломіт. Також деякі скелі, що утворилися біля берегів древніх морів у посушливому кліматі, були здебільшого доломітом на момент їх відкладення.

Печера вапняку: Сталактити звисають до стелі, а сталагміти піднімаються з підлоги Карлсбадських печер, Нью-Мексико, у межах 260-мільйонного вапняку. (Фотографія служби національного парку.)

Інші види карбонатної скелі

Вапняк буває в багатьох різних сортах. Крейда - це дуже дрібнозернистий, пористий морський вапняк, що складається майже повністю з мікроскопічних копалин. Травертин - це прісноводний осадовий вапняк, який має дуже тонкі креновані шари і зазвичай утворюється біля джерел. Мармур - це карбонатна порода, як правило, морський вапняк, який був видавлений і деформований, як пластик, завдяки великому тепла і тиску глибоко під поверхнею Землі. Цей процес називається "метаморфізм". Існують також рідкісні «магматичні» карбонатні гірські породи, які кристалізувалися з розплавленої магми так само, як у лави чи гранітів. Вони називаються "карбонатитами", і цей тип гірських порід видобувається в кількох місцях світу як промисловий вапняк.

Видобуток карбонатних порід

Осадові вапнякові поклади можуть бути обширними, охоплюючи сотні квадратних миль, і можуть бути відносно рівномірними за товщиною та якістю. Таким чином, кар'єри вапняку можуть бути великими і довгоживущими, видобуваючи шари вапняку, товщиною яких можуть бути сотні футів на площах у кілька квадратних миль. Багато кар’єрів виробляють багато продуктів, а щебінь, які недостатньо чисті для певного використання, все ще можуть бути придатними як дорожні агрегати. Мармурові кар'єри також можуть бути дуже великими. Однак ці скелі, які колись були регулярно засипані, були метаморфозовані в тіла неправильної форми, які важче і дорогіше шахта.

У великих районах США є великі родовища морських вапняків різного віку від кількох тисяч до більше 350 мільйонів років. Деякі родовища мають хімічні марки до 95% CaCO₃. Однак деякі райони абсолютно не мають відповідних вапнякових родовищ. Більша частина вартості вапняку для замовника визначається тим, наскільки далеко він надходить і як він поставляється. Доставка вагою по воді дешевше, ніж поїздом, що, в свою чергу, дешевше, ніж доставка вантажівкою.

Використання вапняку

Вапняк має багато промислових цілей і може бути використаний як видобуток, так і перероблений у найрізноманітніші продукти. Це сировина для багатьох будівельних, сільськогосподарських, екологічних та промислових матеріалів.

Вапняк використовується в будівництві майже скрізь. У 2007 році дроблений вапняк становив 68% усієї дробленої породи, виробленої в США. Також вапняк є ключовим інгредієнтом виготовлення портландцементу. Незважаючи на велику кількість вапняків у наших націй, в останні роки спостерігається дефіцит цементу.

Деякі з найчистіших природних вапняків - це мармур. Протягом століть мармур був декоративним каменем вибору у державних будівлях та громадських статуях. Травертин також використовується як розмірний камінь у плитці та стільницях. Деякі білі вапняки просто подрібнюють і просівають для використання в озелененні та покрівельних покриттях.

Порошкоподібний вапняк використовується для видалення домішок з розплавлених металів, як сталь. Він також може видаляти токсичні сполуки з вихлопів вугільних електростанцій. Вапняк використовується як наповнювач у різних продуктах, включаючи папір, пластик та фарбу. Найчистіший вапняк навіть використовується в харчових продуктах і лікарських засобах, таких як крупи для сніданку і таблетки кальцію.

Вапняк також є сировиною для отримання вапна (СаО), який використовується для обробки ґрунтів, очищення води та виплавки міді. Вапно має багато додаткових застосувань у хімічній промисловості.

Доломіти зазвичай менш придатні, ніж інші промислові вапняки для більшості застосувань. Більшість доломіту, що видобувається, просто подрібнюється і просівається для використання в якості сукупності в бетоні або асфальті.

Нестача портландцементу

Портландцемент - один з найважливіших продуктів, виготовлений з вапняку. Це важливо для багатьох будівельних застосувань. Сполучені Штати не є достатніми в цементі і повинні їх імпортувати з інших країн, щоб компенсувати дефіцит. Імпорт клінкеру (продукт з першого кроку виготовлення цементу) та готового цементу становив близько 23% від загального обсягу продажів цементу в США в 2006 році. У роки, що були до 2007 року, портландцемент відчував нестачу в країні. Серед причин були конкуренція з боку інших країн, неадекватна система океанічного транспорту та занижені потреби у вантажному просторі.

Коли портландцемент був дефіцитним, його ціна значно зросла. Споживачі шукали замінників. Вони використовували деревину, оброблювану тиском, утеплену сталь та полістирол у панелях і навіть переробляли футляри будівельних конструкцій, щоб зменшити кількість необхідного цементу. Нестача цементу також спричинила затримки будівництва, що призвело до збільшення витрат на дороги, мости та будівлі.

Джерела вапняку в майбутньому

Створення нових кар'єрів вапняку та цементних заводів у Сполучених Штатах є повільним процесом, і дефіцит поставок потребує часу для виправлення. На будівництво нового цементного заводу потрібно близько 2 років, а дозвільний процес може зайняти набагато більше часу - від 8 до 10 років. Можливо, ще більш складною проблемою є те, що люди можуть не вітати нових кар’єрів та рослин на свою територію. Незважаючи на ці перешкоди, багато американських цементних компаній перебувають у процесі розширення та модернізації своєї діяльності.

Коли територія підходящої та корисної гірської породи поглинається міським зростанням або коли видобуток забороняється законодавством чи зонуванням, результат називається "стерилізація ресурсів". Вапняк є матеріалом загальнодержавного значення, а стерилізація ресурсів може призвести до більш тривалого перевезення з більш високою вартістю від кар'єра до замовника.

Шаблони виробництва вапняку

Більша частина вапняку, що видобувається, подрібнюється для сукупності. Більшість виробництв щебеню в США припадає на вапняк щонайменше за останні 40 років. Це вірно, навіть якщо карбонатні гірські породи складають лише 25 - 35% гірських порід на поверхні.

Американські операції з щебенем зменшуються в кількості, близько 20% втрат за десятиліття з 1971 р. Однак з 2001 по 2006 р. Загальний річний видобуток вапняку в США збільшився за даними звітних даних про мінеральні товари США (USGS), тому середній розмір кар'єр збільшується. В інших частинах світу нове виробництво надходить переважно з кількох дуже великих кар'єрів. Незважаючи на збільшення виробництва в США, до останнього спаду будівництва нація імпортувала все більше своїх вапнякових виробів. Цей імпорт в основному відбувається з Канади, Мексики та Китаю. При меншій кількості кар’єрів середня відстань перевезення збільшиться, і ціни на вапняки, ймовірно, знову зростуть.

Деякі проблеми видобутку вапняку

Вапняк найчастіше видобувають з кар’єру. Однак підземні шахти вапняку зустрічаються в місцях в центральних і східних районах США, особливо в містах і поблизу. Підземний видобуток вапняку має деякі переваги перед поверхневим кар'єром і, ймовірно, зростатиме в майбутньому. Типові проблеми громадськості щодо видобутку вапняку включають пил, шум, вібрацію, що підриває, а також транспорт вантажних автомобілів та інший транспорт, пов'язаний з кар'єрними роботами.

Деякі вапняки також є водоносними шарами, тобто вони є скельними одиницями, які можуть давати воду в колодязі. Там, де вапняк є водоносним горизонтом, можуть виникнути занепокоєння, що забруднювачі, що діють при видобутку кар'єру, можуть потрапити в ґрунтові води.

У багатьох районах США, де є вапняк, він поступово розчиняється у дощовій воді на поверхні або в приповерхневих підземних водах. У вологому кліматі великі обсяги вапняку розчиняються і переносяться у воду. Це створює печери, і там, де руйнуються печерні стелі, можуть розвиватися раковини. У кавернозних вапнякових водоносних горизонтах забруднення в ґрунтових водах рухаються набагато швидше, ніж в інших типах гірських порід, тому кар’єри в таких районах викликають особливу турботу.

Необхідність розуміння істотного ресурсу

Вапняк - один із найважливіших ресурсів наших Націй. Наше розуміння цього ресурсу як промислового мінералу є поганим, враховуючи його значення для нашої економіки. Оскільки вапняк розглядався як "звичайна" порода, раніше геологічні дослідження були обмежені. У минулому більшість досліджень USGS щодо вапняку були зосереджені на картографуванні родовищ, а також на розумінні їх ролі як водоносних горизонтів та нафтових водосховищ. Однак потрібні різні дані для характеристики вапняку, придатного для будівництва та інших галузей промисловості. Карбонатні породи повинні відповідати вимогам хімічної чистоти, які залежать від призначення. Деякі види використання вимагають, щоб вапняк також мав певні сприятливі інженерні властивості. Стандарти та вимоги до використання вапняку зростають, і потрібно більш глибоке розуміння характеристик вапняку, мінливості та інженерних властивостей.

Вапняк - один із найважливіших ресурсів наших Націй. Наше розуміння цього ресурсу як промислового мінералу є поганим, враховуючи його значення для нашої економіки. Оскільки вапняк розглядався як "звичайна" порода, раніше геологічні дослідження були обмежені. У минулому більшість досліджень USGS щодо вапняку були зосереджені на картографуванні родовищ, а також на розумінні їх ролі як водоносних горизонтів та нафтових водосховищ. Однак потрібні різні дані для характеристики вапняку, придатного для будівництва та інших галузей промисловості. Карбонатні породи повинні відповідати вимогам хімічної чистоти, які залежать від призначення. Деякі види використання вимагають, щоб вапняк також мав певні сприятливі інженерні властивості. Стандарти та вимоги до використання вапняку зростають, і потрібно більш глибоке розуміння характеристик вапняку, мінливості та інженерних властивостей.

США Споживання промислового вапняку

Як геологічні, так і економічні межі, безумовно, вплинуть на майбутні поставки вапняку. В даний час США споживають від 5 до 10% світового виробництва промислового вапняку. У 2007 році внутрішнє виробництво промислового вапняку становило близько 1,3 млрд. Тонн, що оцінюється на рівні понад 25 млрд. Дол. Того ж року нація імпортувала близько 430 000 метричних тонн промислового вапняку та вапнякових виробів на суму близько 2,2 мільярда доларів. Більшу частину цього імпорту складав портландцемент.

Для вирішення проблеми забезпечення Американського континенту потребами в найважливіших мінеральних товарах, таких як промисловий вапняк, потрібні точні та неупереджені наукові дані. Постійна робота вчених з Програмою мінеральних ресурсів США надає інформацію, яка має вирішальне значення для створення обгрунтованої політики, яка допоможе забезпечити подальше постачання мінеральних ресурсів.