Kalkakmenis: Kalcio karbonato cheminė nuosėdinė uoliena

Turinys

• Kas yra kalkakmenis?
• Kaip formuojasi kalkakmenis?
• Dolomito susidarymas iš kalkakmenio
• Kiti karbonato uolienų tipai
• Kasybos karbonato uolienos
• Kalkakmenio panaudojimas
• Portlando cemento trūkumas
• Kalkakmenio šaltiniai ateityje
• Kalkakmenio gamybos modeliai
• Kai kurie klinčių kalnakasybos klausimai
• Poreikis suprasti esminį šaltinį
• JAV kalkakmenio pramoninis vartojimas

Gaminiai iš kalkakmenio: Kalkakmenis yra svarbi valstybinės svarbos mineralinė prekė. Šioje nuotraukoje parodyti kai kurie iš daugelio kalkakmeniu pagamintų gaminių: kruopos pusryčiams, dažai, kalcio papildai, marmurinis stalviršis, antacidinės tabletės, aukštos kokybės popierius, baltos stogo dangos granulės ir portlandcementis. (USGS nuotrauka; prekybinių, firminių ar gaminių pavadinimai naudojami tik aprašomiesiems tikslams ir nereiškia, kad juos patvirtina JAV vyriausybė.)

Indianos kalkakmenis Apex pastate: Daugelis tautų sostinės pastatų yra padengti kalkakmeniu. „Apex“ pastatas / Federalinė prekybos komisija turi viršutinę Indianos kalkakmenio išorę. (USGS nuotrauka.)

Kas yra kalkakmenis?

"Kalkakmenis" reiškia bet kokias uolienas, sudarytas daugiausia iš kalcio karbonato (CaCO₃), tačiau geologams kalkakmenis yra tik viena iš kelių „karbonatinių uolienų“ rūšių. Šios uolienos sudarytos iš daugiau kaip 50% mineralų iš karbonato, paprastai kalcito mineralų (gryno CaCO₃) arba dolomito (kalcio-magnio karbonato, CaMg₂) arba abu.

Kaip formuojasi kalkakmenis?

Daugiausia karbonatinių uolienų nusėdo iš jūros vandens. Šios nuosėdinės karbonato uolienos yra įprastos visuose žemynuose ir susiformavo per didžiąją geologinės istorijos dalį; jie vis dar formuojasi tropikuose kaip koraliniai rifai ir negilių jūrų dugnai.

Jūros kalkakmenis susidaro todėl, kad jūros vandenyje yra didelės dviejų pagrindinių ištirpusių cheminių medžiagų - kalcio (Ca⁺⁺) ir bikarbonatą (HCO_3-) jonai. Daugelio vandenynų, koralų, moliuskų ir kitų jūrinių būtybių paviršiniame sluoksnyje šie du chemikalai naudojami apsauginiams apvalkalams gaminti, sujungiant juos į kalcitą arba „aragonitą“, kuris yra tokia pati cheminė sudėtis kaip ir kalcitas, tačiau turi skirtinga kristalo forma.

Sinkhole žiemos parke, Floridoje: Didelius kalkakmenio kiekius galima ištirpinti ir išnešti į paviršinius ir požeminius vandenis. Tai sukuria urvus, tokius kaip Carlsbad urvai Naujojoje Meksikoje (nuotrauka žemiau). Drėgno klimato sąlygomis urvas ypač dažnai formuojasi, o urvo lubos gali susiaurėti. 1981 m. Žiemos parke (Florida) atidarė maždaug 240 pėdų skersmens smegduobę, kai griuvo kalkakmenio urvo lubos. Urvas ir smegduobė yra Cypresshead formacijoje, kuri yra svarbus vandeningasis sluoksnis centrinėje Floridoje. Kaverniniuose kalkakmenio vandeninguose sluoksniuose teršalai požeminiame vandenyje juda daug greičiau nei kitų rūšių uolienose, todėl tokiose vietose esantys karjerai kelia ypatingą susirūpinimą. (USGS nuotrauka.)

Dolomito susidarymas iš kalkakmenio

Kai kuriuos kalkakmenius pakeitė magnis į gruntinius vandenis. Požeminiame vandenyje esantis magnis gali paversti dalį ar visą kalkakmenyje esantį kalcitą dolomitu. Be to, kai kurios uolienos, suformuotos šalia senovės jūrų krantų, sausumoje buvo dolomitas.

Kalkakmenio urvas: Stalaktitai kabo nuo lubų, o stalagmitai kyla iš Karlsbado urvų, Naujosios Meksikos dalyje, per 260 milijonų metų senumo klinčių. (Nacionalinio parko tarnybos nuotrauka.)

Kiti karbonato uolienų tipai

Kalkakmenio yra įvairių rūšių. Kreida yra labai smulkiagrūdis, akytas jūros kalkakmenis, beveik visas iš mikroskopinių fosilijų. Travertinas yra gėlavandenis nuosėdinis kalkakmenis, turintis labai plonus, subrėžtus sluoksnius ir paprastai formuojamas šaltiniuose. Marmuras yra karbonatinė uoliena, paprastai jūrinis kalkakmenis, kuris dėl didelio karščio ir slėgio giliai po Žemės paviršiumi buvo suspaustas ir deformuotas kaip plastikas. Šis procesas vadinamas „metamorfizmu“. Taip pat yra retų „ignesinių“ karbonatinių uolienų, kurios išsikristalizavo iš išlydytos magmos tokiu pačiu būdu, kokį turi lavos ar granitai. Jie vadinami „karbonatitais“, ir ši uolienų rūšis yra iškasama keliose pasaulio vietose kaip pramoninis kalkakmenis.

Kasybos karbonato uolienos

Kalkakmenio nuosėdų nuosėdos gali būti plačios, apimančios šimtus kvadratinių mylių, jos storis ir kokybė gali būti gana vienodi. Todėl klinčių karjerai gali būti dideli ir ilgaamžiai, iškasti kalkakmenio sluoksnius, kurie gali būti šimtų pėdų storio keliose kvadratinėse myliose. Daugelyje karjerų gaunami keli produktai, o susmulkintos uolienos, kurios nėra pakankamai grynos tam tikram naudojimui, vis tiek gali būti tinkamos kaip kelių užpildas. Marmuro karjerai taip pat gali būti labai dideli. Tačiau šios uolos, kurios kadaise buvo reguliariai klojamos, buvo metamorfozuojamos į netaisyklingos formos kūnus, kuriuos mano kasti yra sunkiau ir brangiau.

Didelėse JAV dalyse yra daugybė įvairaus amžiaus jūros kalkakmenio telkinių, nuo kelių tūkstančių iki daugiau nei 350 milijonų metų. Kai kurių telkinių cheminis laipsnis yra net 95% CaCO₃. Tačiau kai kuriose vietose nėra jokių tinkamų kalkakmenio nuosėdų. Didžiąją dalį kalkakmenio kainos klientui lemia tai, kaip toli jis ateina ir kaip jis yra išsiųstas. Pristatymas baržomis vandenyje yra pigesnis nei traukiniu, kuris, savo ruožtu, yra pigesnis nei gabenimas sunkvežimiais.

Kalkakmenio panaudojimas

Kalkakmenis yra daug naudojamas pramonėje ir gali būti naudojamas kaip kasamas arba perdirbamas į daugybę įvairių produktų. Tai žaliava įvairioms statybinėms, žemės ūkio, aplinkos ir pramonės medžiagoms.

Kalkakmenis statyboje naudojamas beveik visur. 2007 m. Skaldytas kalkakmenis sudarė 68% visos JAV susmulkintos uolienos. Be to, kalkakmenis yra pagrindinis ingredientas gaminant portlandcementį. Nepaisant to, kad mūsų tautose daug kalkakmenio, pastaraisiais metais trūko cemento.

Kai kurie gryniausi natūralūs kalkakmeniai yra marmurai. Marmuras šimtmečiais buvo dekoratyvinis akmuo vyriausybės pastatuose ir viešosiose statulose. Travertinas taip pat naudojamas kaip akmuo plytelėse ir stalviršiuose. Kai kurie balti kalkakmeniai tiesiog susmulkinami ir sijojami naudoti kraštovaizdžio ir stogo dangose.

Milteliniai milteliai naudojami priemaišoms iš išlydytų metalų, tokių kaip plienas, pašalinti. Tai taip pat gali pašalinti toksiškus junginius iš anglimis kūrenamų elektrinių išmetamųjų dujų. Kalkakmenis naudojamas kaip užpildas įvairiuose gaminiuose, įskaitant popierių, plastiką ir dažus. Gryniausias kalkakmenis netgi naudojamas maistuose ir vaistuose, tokiuose kaip pusryčių košės ir kalcio tabletės.

Kalkakmenis taip pat yra žaliava kalkėms (CaO) gaminti, naudojamos dirvožemiui apdoroti, vandeniui valyti ir variui lydyti. Kalkes chemijos pramonėje galima naudoti daug daugiau.

Dažniausiai dolomitai yra mažiau tinkami nei kiti pramoniniai kalkakmeniai. Didžioji dalis dolomito, kuris yra iškasamas, yra tiesiog susmulkinamas ir sijojamas naudoti kaip užpildas betone ar asfalte.

Portlando cemento trūkumas

Portlandcementis yra vienas iš svarbiausių gaminių, gaminamų iš kalkakmenio. Tai labai svarbu daugelyje statybos sričių. JAV nepakanka cemento, todėl jos privalo importuoti iš kitų šalių, kad kompensuotų trūkumus. Klinkerio (produkto, pagaminto nuo pirmojo cemento gamybos etapo) ir gatavo cemento importas sudarė apie 23% visų JAV cemento pardavimų 2006 m. Prieš kelerius metus iki 2007 m. Portlando cemento tautoje trūko. Tarp priežasčių buvo kitų šalių konkurencija, netinkama vandenynų transporto sistema ir nepakankamai įvertinti krovinių vietos.

Kai portlandcemenčio trūko, jo kaina labai padidėjo. Vartotojai ieškojo pakaitalų. Plokštėse jie naudojo slėgiu apdorotą medieną, izoliuotą plieną ir polistireną ir netgi pertvarkė statybines kojas, kad sumažintų reikiamo cemento kiekį. Cemento trūkumas taip pat vėlavo statybas, dėl kurių padidėjo keliai, tiltai ir pastatai.

Kalkakmenio šaltiniai ateityje

Naujų klinčių karjerų ir cemento gamyklų įkūrimas JAV yra lėtas procesas, o tiekimo trūkumams pašalinti reikia laiko. Naujos cemento gamyklos statyba užtrunka apie 2 metus, o leidimų išdavimo procesas gali užtrukti daug ilgiau - nuo 8 iki 10 metų. Galbūt dar sudėtingesnė problema yra ta, kad žmonės gali nepamiršti naujų karjerų ir augalų savo rajone. Nepaisant šių kliūčių, daugelis JAV cemento bendrovių plečia ir modernizuoja savo veiklą.

Kai dėl urbanizacijos prarandama tinkamos ir iškasti uolienos, arba kai kasyba tampa draudžiama įstatymais ar zonais, rezultatas vadinamas „išteklių sterilizavimu“. Kalkakmenis yra valstybinės reikšmės medžiaga, o dėl sterilizacijos išteklių gali prireikti ilgesnio gabenimo, didesnėmis sąnaudomis nuo karjero iki kliento.

Kalkakmenio gamybos modeliai

Didžioji dalis kalkakmenio, kuris yra iškasamas, susmulkinamas. Didžioji dalis JAV skaldos pagamintos iš klinčių bent pastaruosius 40 metų. Tai tiesa, net jei karbonatinės uolienos sudaro tik 25–35% uolienų paviršiaus.

JAV smulkinto akmens operacijų skaičius sumažėjo: nuo 1971 m. Per metus sumažėjo apie 20% nuostolių. Tačiau remiantis JAV geologijos tarnybos (USGS) mineralinių žaliavų suvestinėmis, nuo 2001 m. Iki 2006 m. JAV metinė kalkakmenio gamyba padidėjo, taigi vidutinis karjerų daugėja. Kituose pasaulio regionuose nauja produkcija gaminama iš kelių labai didelių karjerų. Nepaisant išaugusios JAV gamybos, Tauta iki pastarojo meto statybų nuosmukio importavo vis daugiau kalkakmenio gaminių. Šie produktai daugiausia importuojami iš Kanados, Meksikos ir Kinijos. Mažėjant karjerų skaičiui, vidutinis nuotolio atstumas padidės, o kalkakmenio kainos greičiausiai padidės dar kartą.

Kai kurie klinčių kalnakasybos klausimai

Kalkakmenis dažniausiai iškasamas iš karjerų. Tačiau požeminės klinčių kasyklos yra centrinėse ir rytinėse JAV dalyse, ypač miestuose ir jų apylinkėse. Požeminė kalkakmenio kasyba turi tam tikrų pranašumų, palyginti su paviršiaus karjerų eksploatavimu, ir ateityje tikriausiai padidės. Tipiškas visuomenės susirūpinimas kalkakmenio gavyba apima dulkes, triukšmą, pūtimo vibraciją, sunkvežimių ir kitus eismus, susijusius su karjerų eksploatavimu.

Kai kurie kalkakmeniai taip pat yra vandeningieji sluoksniai, tai yra, tai yra uolienų vienetai, galintys duoti vandens į šulinius. Kai kalkakmenis yra vandeningasis sluoksnis, gali kilti abejonių, kad karjerų eksploatavimo metu teršalai gali patekti į požeminius vandenis.

Daugelyje JAV vietovių, kur randamas kalkakmenis, jis palaipsniui ištirpsta lietaus vandenyje paviršiaus ar požeminiame paviršiniame vandenyje. Drėgno klimato sąlygomis didelis kalkakmenio kiekis ištirpsta ir išpilamas į vandenį. Tai sukuria urvus, o ten, kur griūva urvų lubos, gali išsivystyti smegduobės. Kaverniniuose kalkakmenio vandeninguose sluoksniuose teršalai požeminiame vandenyje juda daug greičiau nei kitų rūšių uolienose, todėl tokiose vietose esantys karjerai kelia ypatingą susirūpinimą.

Poreikis suprasti esminį šaltinį

Kalkakmenis yra vienas svarbiausių mūsų tautų išteklių. Atsižvelgiant į jo svarbą mūsų ekonomikai, mes nepakankamai suprantame šį išteklius kaip pramoninį mineralą. Kadangi kalkakmenis buvo laikomas „įprasta“ uola, ankstesnių geologinių tyrimų apimtis buvo ribota. Anksčiau dauguma USGS klinčių tyrimų buvo sutelkti į telkinių žemėlapius, taip pat į jų kaip vandeningųjų sluoksnių ir naftos rezervuarų vaidmens supratimą. Tačiau norint apibūdinti kalkakmenį, tinkantį statyboms ir kitoms pramonės šakoms, reikia skirtingų duomenų. Karbonatinės uolienos turi atitikti cheminio grynumo reikalavimus, kurie skiriasi atsižvelgiant į numatytą paskirtį. Kai kurie naudojimo būdai reikalauja, kad kalkakmenis taip pat turėtų tam tikras palankias inžinerines savybes. Klinčių naudojimo standartai ir reikalavimai auga, todėl reikia geriau suprasti kalkakmenio savybes, kintamumą ir inžinerines savybes.

Kalkakmenis yra vienas svarbiausių mūsų tautų išteklių. Atsižvelgiant į jo svarbą mūsų ekonomikai, mes nepakankamai suprantame šį išteklius kaip pramoninį mineralą. Kadangi kalkakmenis buvo laikomas „įprasta“ uola, ankstesnių geologinių tyrimų apimtis buvo ribota. Anksčiau dauguma USGS klinčių tyrimų buvo sutelkti į telkinių žemėlapius, taip pat į jų kaip vandeningųjų sluoksnių ir naftos rezervuarų vaidmens supratimą. Tačiau norint apibūdinti kalkakmenį, tinkantį statyboms ir kitoms pramonės šakoms, reikia skirtingų duomenų. Karbonatinės uolienos turi atitikti cheminio grynumo reikalavimus, kurie skiriasi atsižvelgiant į numatytą paskirtį. Kai kurie naudojimo būdai reikalauja, kad kalkakmenis taip pat turėtų tam tikras palankias inžinerines savybes. Klinčių naudojimo standartai ir reikalavimai auga, todėl reikia geriau suprasti kalkakmenio savybes, kintamumą ir inžinerines savybes.

JAV kalkakmenio pramoninis vartojimas

Tiek geologinės, tiek ekonominės ribos neabejotinai turės įtakos būsimam kalkakmenio tiekimui. Šiuo metu JAV sunaudojama nuo 5 iki 10% viso pramoninio kalkakmenio pagaminimo. 2007 m. Pramoninio kalkakmenio vidaus produkcija sudarė apie 1,3 milijardo tonų, vertinant daugiau kaip 25 milijardus dolerių. Tais pačiais metais tauta importavo apie 430 000 metrinių tonų pramoninių kalkakmenio ir kalkakmenio gaminių, kurių vertė siekia apie 2,2 milijardo JAV dolerių. Didžiąją dalį šio importo sudarė portlandcemenčio produktai.

Norint išspręsti poreikį patenkinti Amerikos būtiniausių mineralinių žaliavų, tokių kaip pramoninis kalkakmenis, poreikius, reikia tikslių ir nešališkų mokslinių duomenų. Vykdomas mokslininkų darbas su USGS mineralinių išteklių programa teikia informaciją, būtiną kuriant patikimą politiką, kuri padės užtikrinti mineralinių išteklių tiekimą ateityje.