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      石灰巖:比你想象得更重要


      一、石灰巖

      “石灰巖”是指主要由碳酸鈣(CaCO3)組成的任何巖石,但是對地質學家來講,石灰巖只是諸多“碳酸鹽巖”的一種。這種巖石是由超過50%的碳酸鹽礦物組成,這些碳酸鹽礦物一般是方解石(純碳酸鈣)或白云巖(鈣鎂碳酸鹽)或二者兼而有之。

      大多數碳酸鹽巖是從海水中沉積下來的。這些沉積碳酸鹽巖在每個大陸上幾乎都一樣,而且在漫長的地質歷史時期中一直在不斷形成,直至今日,它仍像珊瑚礁一樣在熱帶地區和淺海底部形成。海洋石灰石之所以能夠形成,是由于海水具有兩樣高濃度的溶解物質:鈣離子和碳酸氫根離子。在大多數海洋的表層,珊瑚、蛤和其他一些海洋棲息生物都使用這兩種溶解物合成方解石或文石,從而制造身上的保護殼。

      文石又稱“霰石”,成分也是碳酸鈣,常含鍶、鉛、鎂、鐵等,與方解石為同質二象。主要形成于外生作用,產于近代海底沉積或粘土中,也可形成于內生作用,是一種低溫礦物,產于溫泉沉積物中及火山巖的裂隙和氣孔中,也有生物成因的,產于某些貝殼中。

      由于地下水中鎂的介入,有些石灰巖可能會發生變化。地下水中的鎂能夠將石灰巖中的一部分甚至全部方解石轉化為白云石。此外,在干旱氣候條件下的古代海洋岸邊沉積形成的巖石大部分也都是白云石。

      石灰巖有多個不同的種類。鈣華是淡水沉積物,一般形成于溫泉中;大理巖是一種變質巖,原本通常是海洋沉積物而成,在地球表層深處由于受到高溫高壓的作用已經被擠壓變形,該過程為“變質作用”。還有一些罕見的“火成巖”的石灰巖,它是像熔巖和花崗巖一樣由熔融巖漿結晶而成的,被稱為“碳酸巖”,這種巖石只在世界上的幾個地方作為工業礦產來開采。

      沉積灰巖礦床能夠范圍很大,達到數百平方英里,而且厚度和質量均一。因此,石灰巖采石場可以非常大,也可以長期開采,一般能夠在數百平方英里的廣大范圍內開采數百英尺厚。許多采石場都生產多種產品,即使是對于某些特殊用途而言純度不夠的石灰巖也可以用來做鋪路的石料。大理石的采石場也非常大,但是,如果規則的大理石礦床一旦變成了不規則的礦體,開采起來就非常困難,成本也要高出許多。

      在美國,大部分國土上都分布有廣闊的石灰巖礦床,形成時代從幾萬年至3.5億年不等。某些礦床中的碳酸鈣含量高達95%以上,當然,也有一些地方沒有任何石灰巖礦。對于消費者來講,石灰巖的價格主要取決于它們是從哪里采來的、如何運輸的,船運比火車便宜,火車運輸又比卡車運輸便宜。

      二、石灰巖的使用

      石灰巖有許多工業用途,可以開采出來之后直接利用或加工成多種產品。它是建筑、農業、環境和工業材料的原料。

      石灰巖在建筑領域幾乎無處不在。2007年,在美國碎石產量中,石灰巖碎石就占了68%。此外,石灰巖還是制造普通水泥的主要成分。盡管美國擁有豐富的石灰石,但近年來還是出現了短缺現象。

      一些自然產出的最純的石灰巖就是大理石。幾個世紀以來,大理石一直都是政府建筑物及公共雕像裝飾石材的選擇。鈣華也被用來做瓷磚和桌臺的規格石料。一些白色的石灰巖就簡單地粉碎一下,用于房屋裝修等。

      石灰石粉被用于從熔融金屬如鋼鐵中去除雜質。它也可以在燃煤火力發電場中用于清除廢氣的有毒化合物。除此之外,石灰巖還常用紙張、塑料和油漆的生產領域。最純凈的石灰石甚至還能用于制造食品和藥品,如早餐燕麥片和鈣片等。

      石灰巖也是生產石灰(氧化鈣)的原料,石灰通常用于調節土壤、凈化水質及銅的冶煉,目前已經在化工行業應用廣泛。

      相比較而言,白云巖的應用范圍就小一些,大多數開采出來的白云巖只是簡單地粉碎,然后用作混凝土或瀝青的骨料。

      三、普通水泥的短缺

      普通水泥是由石灰石制成的最重要的產品之一。它在建筑領域的應用至關重要。美國生產的水泥尚不能自足,為了彌補空缺,需要從別的國家大量進口。2006年。美國進口的孰料(生產水泥第一步的產品)和成品水泥占到了美國水泥總量的23%。截至到2007年的前幾年時間里,美國的普通水泥供應嚴重短缺。當然,這里面還有一些原因,比如海洋交通運輸系統的不足等。

      正是由于水泥供應短缺,其價格大幅增長。消費者開始尋找替代品。他們使用經加壓處理的木材、絕緣鋼和聚苯乙烯,甚至重新設計建筑以減少所需的水泥用量。水泥短缺還導致了工程延誤,接著就造成了道路、橋梁和其他建筑的成本增加。

      四、未來的石灰巖資源

      在美國建立新的石灰巖采石場和水泥廠是一個緩慢的過程,供應短缺需要時間來糾正。建立一個新的水泥大約需要兩年的時間,而且審批過程可能需要更長的時間——8到10年。也許還有一個更具挑戰性的問題:人們可能不歡迎新的采石場和水泥廠建在他們生活的地區。盡管存在這些障礙,許多美國水泥企業正在擴大他們的廠子,并加快其生產工業的現代化進程。當一個合適的石灰巖礦被城市化發展吞噬或被當地立法或規劃禁止,其結果就是所謂的“資源萎縮”(resource sterilization,沒有找到正式的翻譯說法,姑且這么理解吧)。石灰巖是關系國家發展的重要原材料,如此一來,石灰巖逐漸遠離市區,造成了運輸成本的升高,直接受害的就是消費者。

      五、石灰巖的開采生產模式

      大部分被開采的石灰巖都是被粉碎用作混凝土或水泥的骨料。在過去最近的40年里,美國碎石的產量大多數都來自石灰巖。這是千真萬確的,即使碳酸鹽巖只占其地表巖石的25%至35%。

      自1971年以來,美國碎石的生產量逐年遞減,幾乎是每十年減少20%。然而,據美國地質調查局(USGS)公布的數據,從2001年到2006年,美國石灰巖的產量在增加,所以這表明采石場的平均規模越來越大。在世界其他地區,新增加的產量主要來自于幾個非常大的采石場。盡管美國石灰巖的產量增加了,但該國依然在越來越多地進口,直到最近建筑業陷入低谷時期。進口的石灰巖主要來源于加拿大、墨西哥和中國。由于采石場不多,平均運輸距離增加了,其價格也將可能逐漸升高。

      六、石灰巖開采中的幾個問題

      石灰巖最常見的開采方式都是采石場露天開采。當然,也有地下開采方式,如美國中部和東部的某些地方就有地下礦場,特別是在城市及其附近。與地表露天開采相比,地下采石場具有一些優勢,而且在未來還可能會進一步發展。石灰石礦山典型的公共問題包括粉塵,噪聲,爆破振動,卡車和其他與采石場業務有關的交通問題等。

      還有一些石灰巖層是含水層,也就是說,它們是可以產出地下水的巖層單位。當石灰巖層為含水層時,人來的開采活動產生的污染物就可能會進入地下水中。

      在美國許多地方被發現存在石灰巖的地區,很容易被雨水或地下水侵蝕。在潮濕氣候條件下,大量的石灰石被溶解然后被水攜帶沖走。其結果是,在地下形成溶洞,然后會在地表塌陷。在溶洞發育的石灰巖層,含有污染物的地下水流動速度更快,所以,這是采石場特別關注的問題。


      七、需要了解的基本資源

      石灰石是美國最重要的資源之一。按照我們先前的理解,它只是一種工業礦產,這其是貶低了它對我們經濟發展的重要性。由于石灰巖被認為是一種“普通”巖石,所以早期的地質研究范圍是有限的。在過去,美國地質調查局對石灰巖的大多數研究都集中勘探其礦床分布,以及它在含水層和油氣藏中的作用。然而,現在的建筑行業和其他工業領域需要石灰巖的其他不同的數據。根據不同的用途要求,碳酸鹽巖需要達到化學純度的要求。某些用途還需要石灰巖也具備一些良好的工程性質。對石灰巖利用的標準和要求在不斷提高,所以對其性質、變異性及工程性質等也就需要更多的了解。

      在美國,有些石灰巖還不適宜于開采利用,比如阿拉斯加,從市場角度來看,由于運輸距離遙遠,成本太高,但從長遠來看,這可能是未來的重要資源。

      八、美國工業消耗的石灰巖

      由于受到地質和經濟兩方面的限制,未來的石灰巖供應肯定會受到影響。目前,美國在消耗全球石灰巖工業產品的5%到10%。2007年,美國石灰巖工業產品的國內產量大約是13億噸,價值超過250億美元。同年,該國進口了大約43萬噸石灰巖和石灰巖的工業產品,價值約22億美元。這些進口產品中大部分是普通水泥。

      為了迎接美國對工業石灰石之類的重要礦業產品的需求所帶來的挑戰,這需要更加準確和客觀公正的科學數據。因此,美國地質調查局礦產資源規劃部門的科學家正在為建立健全的政策提供重要信息,這將有助于確保未來礦產資源的供應。

      轉載自湖南省地質博物館,版權歸原作者所有。

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