Vápenec: Chemická sedimentární hornina uhličitanu vápenatého

Obsah

• Co je vápenec?
• Jak se tvoří vápenec?
• Vznik Dolomitu z vápence
• Jiné typy uhličitanového kamene
• Těžba uhličitanových hornin
• Použití vápence
• Nedostatek cementu v Portlandu
• Zdroje vápence v budoucnosti
• Vápencové výrobní vzory
• Některé problémy při těžbě vápence
• Potřeba pochopit základní zdroj
• Průmyslová spotřeba vápence v USA

Výrobky z vápence: Vápenec je základní minerální komoditou národního významu. Na této fotografii jsou uvedeny některé z mnoha produktů vyrobených pomocí vápence: snídaňové cereálie, barvy, prášky na doplnění vápníku, mramorová deska, antacidové tablety, vysoce kvalitní papír, bílé střešní granule a portlandský cement. (Fotografie USGS; použití obchodních, firemních nebo názvů produktů je pouze pro popisné účely a neznamená to, že by je schválila vláda USA.)

Vápenec Indiana v budově Apex: Mnoho budov v hlavním městě národů je pokryto vápencem. Apex Building / Federal Trade Commission má horní část vápence Indiana. (Fotografie USGS.)

Co je vápenec?

"Vápencem" se rozumí jakákoli hornina tvořená většinou uhličitanu vápenatého (CaCO₃), ale pro geology je vápenec pouze jedním z několika typů „uhličitanových hornin“. Tyto horniny se skládají z více než 50% uhličitanových minerálů, obvykle z minerálů kalcit (čistý CaCO)₃) nebo dolomit (uhličitan vápenatý a hořečnatý, CaMg₂) nebo oboje.

Jak se tvoří vápenec?

Většina uhličitanových hornin byla uložena z mořské vody. Tyto sedimentární uhličitanové horniny jsou běžné na všech kontinentech a utvářely se po většinu geologické historie; v tropech se stále vytvářejí jako korálové útesy a na dně mělkých moří.

Mořské vápno se tvoří, protože mořská voda má vysoké koncentrace dvou klíčových rozpuštěných chemikálií - vápníku (Ca⁺⁺) a hydrogenuhličitan (HCO_3-) ionty. V téměř povrchové vrstvě většiny oceánů, korálů, škeblí a dalších mořských příšerek používají tyto dvě chemikálie k vytvoření ochranných skořepin tím, že je kombinují, aby vytvořily kalcit nebo „aragonit“, což je stejné chemické složení jako kalcit, ale má různé krystalické formy.

Sinkhole ve Winter Park na Floridě: Velké množství vápence může být rozpuštěno a odvezeno povrchovou vodou a podzemní vodou. Tím se vytvoří jeskyně, jako jsou Carlsbad Caverns v Novém Mexiku (foto níže). Ve vlhkém podnebí je tvorba jeskyní obzvláště běžná, a tam, kde se kazí stropy jeskyně, se mohou vyvinout jímky. V roce 1981 se ve Winter Parku na Floridě otevřela jáma o výšce asi 240 stop v zemi, když se zhroutil strop spodní vápencové jeskyně. Jeskyně a jímka jsou v Cypresshead Formation, což je důležitý aquifer na střední Floridě. V kavernózních vápencových kolektorech se kontaminanty v podzemních vodách pohybují mnohem rychleji než v jiných typech hornin, takže lomy v těchto oblastech jsou zvláštním problémem. (Fotografie USGS.)

Vznik Dolomitu z vápence

Některé vápence byly změněny zavedením hořčíku do podzemní vody. Hořčík v podzemní vodě může přeměnit část nebo celý kalcit v vápence na dolomit. Také některé skály vytvořené blízko pobřeží starověkých moří ve vyprahlém podnebí byly většinou dolomitové v době, kdy byly uloženy.

Vápencová jeskyně: Stalaktity visí ze stropu a stalagmity vystupují z podlahy karlovarských jesenů v Novém Mexiku do 260 milionů let starého vápence. (Fotografie služby národního parku.)

Jiné typy uhličitanového kamene

Vápenec přichází v mnoha různých variantách. Křída je velmi jemnozrnný, porézní mořský vápenec složený téměř výhradně z mikroskopických fosilií. Travertin je sladkovodní sedimentární vápenec, který má velmi tenké vroubkované vrstvy a běžně se tvoří u pramenů. Mramor je uhličitanová hornina, obvykle mořský vápenec, který byl stlačen a deformován jako plast velkým ohřevem a tlakem hluboko pod zemským povrchem. Tento proces se nazývá „metamorfismus“. Existují také vzácné „vyvřelé“ uhličitanové horniny, které krystalizovaly z roztaveného magmatu stejným způsobem, jaký mají lávy nebo žuly. Nazývají se „karbonatity“ a tento horninový typ se těží na několika místech světa jako průmyslový vápenec.

Těžba uhličitanových hornin

Sedimentární vápencové usazeniny mohou být rozsáhlé, pokrývají stovky čtverečních mil a mohou být relativně jednotné co do tloušťky a kvality. Proto mohou být vápencové lomy velké a dlouhodobé, těžební vápencové vrstvy, které mohou být tlusté stovky stop na plochách několika čtverečních mil. Mnoho lomů produkuje více produktů a drcené horniny, které nejsou pro určitá použití dostatečně čisté, mohou být stále vhodné jako agregát silnice. Mramorové lomy mohou být také velmi velké. Tyto horniny, které byly kdysi pravidelně uloženy, však byly přeměněny na nepravidelně tvarovaná těla, která je těžší a nákladnější těžit.

Ve velkých částech Spojených států existují rozsáhlá ložiska mořského vápence různého věku od několika tisíc do více než 350 milionů let. Některá ložiska mají chemické vlastnosti až 95% CaCO₃. Některé oblasti jsou však zcela bez vhodných vápencových ložisek. Většina nákladů na vápence pro zákazníka je určena podle toho, jak daleko to přijde a jak je dodáno. Plavba lodí po vodě je levnější než vlakem, což je zase levnější než doprava kamionem.

Použití vápence

Vápenec má mnoho průmyslových využití a může být použit jako těžený nebo zpracovaný na širokou škálu produktů. Je to surovina pro širokou škálu stavebních, zemědělských, ekologických a průmyslových materiálů.

Vápenec se používá ve stavebnictví téměř všude. V roce 2007 tvořil drcený vápenec 68% ze všech drcených hornin vyprodukovaných ve Spojených státech. Vápenec je také klíčovou složkou při výrobě portlandského cementu. Přes hojnost vápence v našich národech došlo v posledních letech k cementovému nedostatku.

Některé z nejčistších přírodních vápenců jsou kuličky. Po staletí byl mramor ozdobným kamenem ve vládních budovách a veřejných sochách. Travertin se také používá jako rozměrový kámen v dlaždicích a stolních deskách. Některé bílé vápence jsou jednoduše rozdrceny a prosety pro použití v krajinářství a zastřešení.

Práškový vápenec se používá k odstranění nečistot z roztavených kovů, jako je ocel. Může také odstranit toxické sloučeniny z výfuku z uhelných elektráren. Vápenec se používá jako plnivo v různých výrobcích, včetně papíru, plastů a barev. Nejčistší vápenec se dokonce používá v potravinách a lécích, jako jsou snídaňové cereálie a vápníkové pilulky.

Vápenec je také surovinou pro výrobu vápna (CaO), které se používá k úpravě půdy, čištění vody a páchnutí mědi. Vápno má mnoho dalších použití v chemickém průmyslu.

Dolomity jsou pro většinu aplikací běžně méně vhodné než jiné průmyslové vápence. Většina dolomitu, který se těží, se jednoduše rozdrtí a proseje pro použití jako kamenivo do betonu nebo asfaltu.

Nedostatek cementu v Portlandu

Portlandský cement je jedním z nejdůležitějších produktů z vápence. Je to nezbytné v mnoha konstrukčních aplikacích. Spojené státy nejsou v cementu soběstačné a musí jej dovážet z jiných zemí, aby se napravily nedostatky. Dovoz slínku (produkt z prvního kroku výroby cementu) a hotového cementu představoval v roce 2006 přibližně 23% celkového prodeje cementu v USA. V letech těsně před rokem 2007 byl portlandský cement v národě vážně krátký. Mezi příčiny patřila konkurence z jiných zemí, nedostatečný systém námořní dopravy a podceňované požadavky na nákladový prostor.

Když byl portlandský cement ve velmi malém množství, jeho cena se výrazně zvýšila. Spotřebitelé hledali náhradu. V panelech používali tlakově upravené dřevo, izolovanou ocel a polystyren a dokonce upravovali zápatí budovy, aby se snížilo množství potřebného cementu. Nedostatek cementu také způsobil zpoždění výstavby, které vedlo ke zvýšeným nákladům na silnice, mosty a budovy.

Zdroje vápence v budoucnosti

Zřízení nových vápencových lomů a cementáren ve Spojených státech je pomalý proces a nedostatky dodávek vyžadují čas na nápravu. Vybudování nové cementárny trvá asi 2 roky a povolovací proces může trvat mnohem déle - 8 až 10 let. Snad ještě náročnějším problémem je, že lidé nemusí přivítat nové lomy a rostliny do své oblasti. Přes tyto překážky mnoho amerických cementářských společností prochází procesem rozšiřování a modernizace svých provozů.

Když je oblast vhodného a těžitelného horniny pohlcena městským růstem nebo když je těžba zakázána legislativou nebo územním plánem, výsledek se nazývá „sterilizace zdrojů“. Vápenec je materiál celostátního významu a sterilizace zdrojů může mít za následek delší přepravu za vyšší náklady z lomu k zákazníkovi.

Vápencové výrobní vzory

Většina těženého vápence je drcena na kamenivo. Většina výroby drceného kamene v USA pochází z vápence nejméně posledních 40 let. To je pravda, i když uhličitanové horniny jsou pouze 25 až 35% hornin na povrchu.

USA drcené kamenné operace klesají v počtu, asi 20% ztráta za desetiletí od roku 1971. Nicméně, od roku 2001 do roku 2006, celková roční produkce vápence v USA vzrostla podle US Geological Survey (USGS) Mineral Commodity Summaries, takže průměrná velikost lom roste. V jiných částech světa přichází nová produkce hlavně z několika velmi velkých lomů. Navzdory zvýšené produkci v USA dovážel stát stále více svých vápencových produktů až do nedávného poklesu ve výstavbě. Tento dovoz pochází především z Kanady, Mexika a Číny. S menším počtem lomů se průměrná vzdálenost k výjezdu zvětšuje a ceny vápence se pravděpodobně ještě jednou zvýší.

Některé problémy při těžbě vápence

Vápenec se nejčastěji těží z lomu. Podzemní vápencové doly se však nacházejí na místech ve středních a východních Spojených státech, zejména ve městech a v jejich blízkosti. Podzemní těžba vápence má některé výhody oproti povrchovému dobývání a pravděpodobně se v budoucnu zvýší. Mezi typické obavy veřejnosti ohledně těžby vápence patří prach, hluk, tryskací vibrace a kamion a další provoz související s lomovými operacemi.

Některé vápence jsou také zvodnělé vrstvy, to znamená, že jsou to skalní jednotky, které mohou vydat vodu do studní. Pokud je vápenec zvodnělý, mohou existovat obavy, že kontaminanty z těžebních činností by mohly uniknout do podzemních vod.

V mnoha oblastech Spojených států, kde se nachází vápenec, se postupně rozpustí v dešťové vodě na povrchu nebo v povrchové podzemní vodě. Ve vlhkém podnebí se velké objemy vápence rozpustí a jsou odváděny do vody. To vytváří jeskyně a mohou se vyvinout jímky, kde se stropy jeskyně zhroutí. V kavernózních vápencových kolektorech se kontaminanty v podzemních vodách pohybují mnohem rychleji než v jiných typech hornin, takže lomy v těchto oblastech jsou zvláštním problémem.

Potřeba pochopit základní zdroj

Vápenec patří mezi naše nejdůležitější zdroje. Naše chápání tohoto zdroje jako průmyslového nerostu je vzhledem k jeho významu pro naši ekonomiku špatné. Protože vápenec byl považován za „obyčejný“ kámen, dřívější geologický výzkum byl rozsahem omezen. V minulosti se většina výzkumu vápence v USGS zaměřila na mapování ložisek, jakož i na pochopení jejich role jako vodonosných vrstev a ropných nádrží. K charakterizaci vápence vhodného pro stavebnictví a další průmyslová odvětví jsou však zapotřebí různá data. Karbonátové horniny musí splňovat požadavky na chemickou čistotu, které se liší podle zamýšleného použití. Některá použití vyžadují, aby vápenec měl také určité příznivé technické vlastnosti. Normy a požadavky na používání vápence rostou a je třeba lépe porozumět charakteristikám vápníku, variabilitě a technickým vlastnostem.

Vápenec patří mezi naše nejdůležitější zdroje. Naše chápání tohoto zdroje jako průmyslového nerostu je vzhledem k jeho významu pro naši ekonomiku špatné. Protože vápenec byl považován za „obyčejný“ kámen, dřívější geologický výzkum byl rozsahem omezen. V minulosti se většina výzkumu vápence v USGS zaměřila na mapování ložisek, jakož i na pochopení jejich role jako vodonosných vrstev a ropných nádrží. K charakterizaci vápence vhodného pro stavebnictví a další průmyslová odvětví jsou však zapotřebí různá data. Karbonátové horniny musí splňovat požadavky na chemickou čistotu, které se liší podle zamýšleného použití. Některá použití vyžadují, aby vápenec měl také určité příznivé technické vlastnosti. Normy a požadavky na používání vápence rostou a je třeba lépe porozumět charakteristikám vápníku, variabilitě a technickým vlastnostem.

Průmyslová spotřeba vápence v USA

Budoucí zásoby vápence jistě ovlivní geologické i ekonomické limity. Spojené státy v současné době spotřebují 5 až 10% světové produkce průmyslového vápence. V roce 2007 činila domácí produkce průmyslového vápence asi 1,3 miliardy tun, v hodnotě více než 25 miliard USD. Ve stejném roce importoval národ asi 430 000 metrických tun průmyslového vápence a vápencových produktů v hodnotě asi 2,2 miliardy dolarů. Většina z těchto dovozů byl portlandský cement.

Splnění výzvy dodávat potřebám amerických základních surovin, jako je průmyslový vápenec, vyžaduje přesné a nezaujaté vědecké údaje. Probíhající práce vědců s programem pro nerostné zdroje USGS poskytuje informace klíčové pro vytvoření řádných politik, které pomohou zajistit budoucí dodávky nerostných zdrojů.