Vápenec: Chemický sedimentárny kameň uhličitanu vápenatého

Obsah

• Čo je to vápenec?
• Ako sa tvorí vápenec?
• Tvorba dolomitu z vápenca
• Iné typy uhličitanovej horniny
• Ťažba karbonátových hornín
• Použitie vápenca
• Nedostatok portlandského cementu
• Zdroje vápenca v budúcnosti
• Vápencové výrobné vzory
• Niektoré problémy pri ťažbe vápenca
• Potreba porozumieť základným zdrojom
• Americká priemyselná spotreba vápenca

Výrobky z vápenca: Vápenec je základnou minerálnou komoditou národného významu. Na tejto fotografii sú zobrazené niektoré z mnohých produktov vyrobených pomocou vápenca: raňajkové cereálie, farby, pilulky na doplnenie vápnika, mramorová doska, antacidové tablety, vysokokvalitný papier, biele strešné granule a portlandský cement. (Fotografia USGS; použitie obchodných, obchodných názvov alebo názvov produktov je iba na opisné účely a neznamená to, že ich schváli vláda USA.)

Vápenec Indiana v budove Apex: Mnoho budov v hlavnom meste národov je pokrytých vápencom. Apex Building / Federal Trade Commission má hornú vonkajšiu časť vápenca Indiana. (Fotografia USGS.)

Čo je to vápenec?

"Vápenec" je akýkoľvek kameň tvorený väčšinou uhličitanom vápenatým (CaCO₃), ale pre geológov je vápenec iba jedným z niekoľkých typov „uhličitanových hornín“. Tieto horniny sú zložené z viac ako 50% uhličitanových minerálov, spravidla minerálov vápenatých (čistý CaCO)₃) alebo dolomit (uhličitan vápenatý a horečnatý, CaMg₂) alebo obaja.

Ako sa tvorí vápenec?

Väčšina uhličitanových hornín bola uložená z morskej vody. Tieto sedimentárne karbonátové horniny sú bežné na všetkých kontinentoch a vytvorili sa počas väčšiny geologických dejín; stále sa dnes v tropoch formujú ako koralové útesy a na dne plytkých morí.

Morský vápenec sa tvorí, pretože morská voda má vysoké koncentrácie dvoch kľúčových rozpustených chemikálií - vápnika (Ca⁺⁺) a hydrogenuhličitan (HCO_3-) ióny. V takmer povrchovej vrstve väčšiny oceánov, koralov, mušlí a iných morských obyčajov používajú tieto dve chemikálie na výrobu ochranných škrupín ich kombináciou za vzniku kalcitu alebo „aragonitu“, čo je rovnaké chemické zloženie ako kalcit, ale má rôzne kryštalické formy.

Sinkhole v Winter Park na Floride: Veľké množstvá vápenca sa môžu rozpustiť a odviesť povrchovou vodou a podzemnou vodou. Takto vznikajú jaskyne, napríklad Carlsbad Caverns v Novom Mexiku (foto nižšie). Vo vlhkom podnebí je tvorba jaskýň obzvlášť bežná a pri poklese stropov sa môžu vyvinúť sliny. V roku 1981 v Winter Parku na Floride sa otvoril priechod asi 240 stôp po zemi, keď sa zrútil strop spodnej vápencovej jaskyne. Jaskyňa a drez sú v Cypresshead Formation, čo je dôležitý zvodnený na centrálnej Floride. V kavernóznych vápencových kolektoroch sa znečisťujúce látky v podzemnej vode pohybujú oveľa rýchlejšie ako v iných druhoch hornín, takže lomy v týchto oblastiach sú osobitnými problémami. (Fotografia USGS.)

Tvorba dolomitu z vápenca

Niektoré vápence boli zmenené zavedením horčíka do podzemnej vody. Horčík v podzemnej vode môže prevádzať časť alebo všetok kalcit vo vápenci na dolomit. Niektoré skaly, ktoré sa vytvorili v blízkosti brehov antického mora v suchých podnebiach, boli väčšinou v čase depozitov väčšinou dolomitové.

Vápencová jaskyňa: Stalaktity visia zo stropu a stalagmity vystupujú z dna karlovarských kavern v Novom Mexiku v okruhu 260 miliónov rokov starého vápenca. (Fotografia služby Národného parku.)

Iné typy uhličitanovej horniny

Vápenec sa dodáva v mnohých rôznych variantoch. Krieda je veľmi jemnozrnný, pórovitý morský vápenec zložený takmer výlučne z mikroskopických fosílií. Travertín je sladkovodný sedimentárny vápenec, ktorý má veľmi tenké vrúbkované vrstvy a bežne sa tvorí v prameňoch. Mramor je uhličitanová hornina, obyčajne morský vápenec, ktorý bol stlačený a zdeformovaný ako plast veľkým teplom a tlakom hlboko pod zemským povrchom. Tento proces sa nazýva „metamorfizmus“. Existujú tiež zriedkavé „uhličité“ uhličitanové horniny, ktoré vykryštalizovali z roztavenej magmy rovnakým spôsobom, aký majú lávy alebo žuly. Nazývajú sa „karbonatity“ a tento typ horniny sa ťaží na niekoľkých miestach na svete ako priemyselný vápenec.

Ťažba karbonátových hornín

Sedimentárne vápencové usadeniny môžu byť rozsiahle, pokrývajú stovky kilometrov štvorcových a môžu byť relatívne rovnomerné čo do hrúbky a kvality. Preto môžu byť vápencové lomy veľké a dlhoveké, ťažobné vápencové vrstvy, ktoré môžu byť hrubé stovky stôp na plochách niekoľkých štvorcových míľ. Mnoho lomov produkuje viac produktov a drvené horniny, ktoré nie sú pre určité použitia dosť čisté, môžu byť stále vhodné ako cestný agregát. Mramorové lomy môžu byť tiež veľmi veľké. Tieto horniny, ktoré boli kedysi pravidelne položené, sa však premenili na nepravidelne tvarované telá, ktoré je ťažšie a nákladnejšie ťažiť.

Vo veľkých častiach Spojených štátov existujú rozsiahle ložiská morského vápenca rôzneho veku, od niekoľkých tisíc rokov po viac ako 350 miliónov rokov. Niektoré ložiská majú chemickú čistotu až 95% CaCO₃, Niektoré oblasti sú však úplne bez vhodných vápencových usadenín. Väčšina nákladov na vápenec pre zákazníka je určená tým, ako ďaleko to pochádza a ako sa dodáva. Lodná preprava loďou po vode je lacnejšia ako vlakom, ktorá je naopak lacnejšia ako preprava kamiónom.

Použitie vápenca

Vápenec má veľa priemyselných použití a môže sa použiť ako ťažba alebo spracovanie na širokú škálu výrobkov. Je to surovina pre veľké množstvo stavebných, poľnohospodárskych, environmentálnych a priemyselných materiálov.

Vápenec sa používa v stavebníctve takmer všade. V roku 2007 tvoril drvený vápenec 68% zo všetkých drvených hornín vyprodukovaných v Spojených štátoch. Vápenec je tiež kľúčovou zložkou pri výrobe portlandského cementu. Napriek hojnosti vápenca v našich národoch sa v posledných rokoch vyskytol nedostatok cementu.

Niektoré z najčistejších prírodných vápencov sú guličky. Po celé stáročia bol mramor dekoratívnym kameňom vo vládnych budovách a verejných sochách. Travertín sa tiež používa ako rozmerový kameň v obkladačkách a doskách. Niektorý biely vápenec je jednoducho rozdrvený a preosiaty pre použitie pri terénnych úpravách a zastrešení.

Práškový vápenec sa používa na odstránenie nečistôt z roztavených kovov, ako je oceľ. Môže tiež odstrániť toxické zlúčeniny z výfukových plynov z elektrární spaľujúcich uhlie. Vápenec sa používa ako plnivo v rôznych výrobkoch vrátane papiera, plastov a farieb. Najčistejší vápenec sa dokonca používa v potravinách a liekoch, ako sú raňajkové cereálie a vápnikové tablety.

Vápenec je tiež surovinou na výrobu vápna (CaO), ktoré sa používa na úpravu pôdy, čistenie vody a na tavenie medi. Vápno má v chemickom priemysle mnoho ďalších použití.

Dolomity sú obvykle pre väčšinu aplikácií menej vhodné ako iné priemyselné vápence. Väčšina dolomitov, ktoré sa ťažia, je jednoducho rozdrvená a preosiata na použitie ako kamenivo do betónu alebo asfaltu.

Nedostatok portlandského cementu

Portlandský cement je jedným z najdôležitejších výrobkov z vápenca. Je nevyhnutný v mnohých stavebných aplikáciách. Spojené štáty nie sú v cemente sebestačné a musia ho dovážať z iných krajín, aby napravili nedostatky. Dovoz slinku (výrobok z prvého kroku výroby cementu) a hotového cementu predstavoval v roku 2006 asi 23% celkového predaja cementu v USA. V rokoch tesne pred rokom 2007 bol portlandský cement v národe vážne nedostatočný. Príčinou bola konkurencia z iných krajín, neprimeraný systém námornej dopravy a podceňované požiadavky na nákladný priestor.

Keď bol portlandský cement veľmi nízky, jeho cena sa výrazne zvýšila. Spotrebitelia hľadali náhradníkov. V paneloch používali tlakovo upravené drevo, izolovanú oceľ a polystyrén a dokonca prepracovali päty budov na zníženie množstva potrebného cementu. Nedostatok cementu spôsobil aj oneskorenie výstavby, ktoré malo za následok zvýšenie nákladov na cesty, mosty a budovy.

Zdroje vápenca v budúcnosti

Zriadenie nových vápencových lomov a cementární v Spojených štátoch je pomalý proces a nedostatky dodávok si vyžadujú čas na nápravu. Vybudovanie novej cementárne trvá asi 2 roky a proces povoľovania môže trvať oveľa dlhšie - 8 až 10 rokov. Možno ešte náročnejším problémom je to, že ľudia nemusia vo svojom okolí privítať nové lomy a rastliny. Napriek týmto prekážkam mnohé americké cementárske spoločnosti v súčasnosti rozširujú a modernizujú svoje prevádzky.

Ak je oblasť vhodnej a ťažiteľnej horniny pohltená mestským rastom alebo ak je ťažba zakázaná právnymi predpismi alebo územným plánovaním, výsledok sa nazýva „sterilizácia zdrojov“. Vápenec je materiálom národného významu a sterilizácia zdrojov môže viesť k dlhšiemu záťahu pri vyšších nákladoch z lomu k zákazníkovi.

Vápencové výrobné vzory

Väčšina vápenca, ktorý sa ťaží, je rozdrvená na kamenivo. Väčšina výroby drveného kameňa v USA pochádza z vápenca najmenej posledných 40 rokov. To platí, aj keď uhličitanové horniny sú iba 25 až 35% hornín na povrchu.

Počet operácií amerického drveného kameňa klesá, čo predstavuje asi 20% stratu za desaťročie od roku 1971. Avšak od roku 2001 do roku 2006 sa celková ročná produkcia vápenca v USA zvýšila podľa súhrnov minerálnych komodít USA (USGS), takže priemerná veľkosť lom sa zvyšuje. V iných častiach sveta prichádza nová produkcia hlavne z niekoľkých veľmi veľkých lomov. Napriek zvýšenej výrobe v USA dovážal štát stále viac a viac svojich vápencových výrobkov až do nedávneho poklesu v stavebníctve. Tento dovoz pochádza predovšetkým z Kanady, Mexika a Číny. Pri menšom počte lomov sa priemerná vzdialenosť medzi záťahmi zvýši a ceny vápenca sa pravdepodobne ešte raz zvýšia.

Niektoré problémy pri ťažbe vápenca

Vápenec sa najčastejšie ťaží z lomu. Podzemné vápencové bane sa však nachádzajú na miestach v stredných a východných Spojených štátoch, najmä v mestách av ich blízkosti. Podzemná ťažba vápenca má niektoré výhody oproti povrchovému dobývaniu a pravdepodobne sa v budúcnosti zvýši. Medzi typické obavy verejnosti v súvislosti s ťažbou vápenca patrí prach, hluk, otrasové vibrácie a kamión a ostatná doprava spojená s lomovými činnosťami.

Niektoré vápence sú tiež zvodnené vrstvy, to znamená, že sú to skalné jednotky, ktoré môžu vydávať vodu do studní. Ak je vápenec zvodnený, môžu existovať obavy, že znečisťujúce látky z lomov môžu uniknúť do podzemných vôd.

V mnohých oblastiach USA, kde sa nachádza vápenec, sa postupne rozpúšťa v dažďovej vode na povrchu alebo v povrchovej podzemnej vode. Vo vlhkom podnebí sa veľké množstvá vápenca rozpúšťajú a odvádzajú do vody. Vytvárajú sa tak jaskyne a v miestach, kde sa stropy jaskýň zrútia, sa môžu vyvinúť sliny. V kavernóznych vápencových kolektoroch sa znečisťujúce látky v podzemnej vode pohybujú oveľa rýchlejšie ako v iných druhoch hornín, takže lomy v týchto oblastiach sú osobitnými problémami.

Potreba porozumieť základným zdrojom

Vápenec patrí medzi najdôležitejšie zdroje našich národov. Naše chápanie tohto zdroja ako priemyselného nerastu je zlé pre jeho význam pre našu ekonomiku. Pretože vápenec bol považovaný za „obyčajný“ kameň, rozsah skoršieho geologického výskumu bol obmedzený. V minulosti sa väčšina výskumu vápenca v USGS zameriavala na mapovanie ložísk, ako aj na pochopenie ich úloh ako vodonosných vrstiev a ropných rezervoárov. Na charakterizáciu vápenca vhodného pre stavebníctvo a iné priemyselné odvetvia sú však potrebné rôzne údaje. Karbonátové horniny musia spĺňať požiadavky na chemickú čistotu, ktoré sa líšia podľa zamýšľaného použitia. Niektoré použitia vyžadujú, aby vápenec mal tiež určité priaznivé technické vlastnosti. Normy a požiadavky na používanie vápenca stúpajú a je potrebné lepšie porozumieť charakteristikám, variabilite a technickým vlastnostiam vápenca.

Vápenec patrí medzi najdôležitejšie zdroje našich národov. Naše chápanie tohto zdroja ako priemyselného nerastu je zlé pre jeho význam pre našu ekonomiku. Pretože vápenec bol považovaný za „obyčajný“ kameň, rozsah skoršieho geologického výskumu bol obmedzený. V minulosti sa väčšina výskumu vápenca v USGS zameriavala na mapovanie ložísk, ako aj na pochopenie ich úloh ako vodonosných vrstiev a ropných rezervoárov. Na charakterizáciu vápenca vhodného pre stavebníctvo a iné priemyselné odvetvia sú však potrebné rôzne údaje. Karbonátové horniny musia spĺňať požiadavky na chemickú čistotu, ktoré sa líšia podľa zamýšľaného použitia. Niektoré použitia vyžadujú, aby vápenec mal tiež určité priaznivé technické vlastnosti. Normy a požiadavky na používanie vápenca stúpajú a je potrebné lepšie porozumieť charakteristikám, variabilite a technickým vlastnostiam vápenca.

Americká priemyselná spotreba vápenca

Budúce zásoby vápenca určite ovplyvnia geologické aj hospodárske limity. Spojené štáty v súčasnosti spotrebujú 5 až 10% celosvetovej výroby priemyselného vápenca. V roku 2007 bola domáca produkcia priemyselného vápenca asi 1,3 miliardy metrických ton v hodnote viac ako 25 miliárd dolárov. V tom istom roku národ doviezol asi 430 000 metrických ton priemyselného vápenca a výrobkov z vápenca v hodnote asi 2,2 miliardy dolárov. Väčšina tohto dovozu bola portlandský cement.

Splnenie úlohy zásobovania amerických potrieb nevyhnutnými minerálnymi komoditami, ako je priemyselný vápenec, vyžaduje presné a nezaujaté vedecké údaje. Prebiehajúca práca vedcov v rámci Programu nerastných zdrojov USGS poskytuje informácie rozhodujúce pre vytvorenie správnych politík, ktoré pomôžu zabezpečiť budúce dodávky nerastných surovín.