Đá vôi: Đá trầm tích hóa học canxi cacbonat

NộI Dung

• Đá vôi là gì?
• Đá vôi hình thành như thế nào?
• Sự hình thành của Dolomite từ đá vôi
• Các loại đá carbonate khác
• Khai thác đá carbonate
• Công dụng của đá vôi
• Tình trạng thiếu xi măng Portland
• Nguồn đá vôi trong tương lai
• Mô hình sản xuất đá vôi
• Một số vấn đề trong khai thác đá vôi
• Sự cần thiết phải hiểu một tài nguyên thiết yếu
• Tiêu thụ công nghiệp đá vôi của Hoa Kỳ

Sản phẩm làm bằng đá vôi: Đá vôi là một mặt hàng khoáng sản thiết yếu có tầm quan trọng quốc gia. Một số trong nhiều sản phẩm được làm bằng đá vôi được thể hiện trong bức ảnh này: ngũ cốc ăn sáng, sơn, thuốc bổ sung canxi, mặt bàn bằng đá cẩm thạch, thuốc chống axit, giấy chất lượng cao, hạt lợp trắng và xi măng Portland. (Ảnh USGS; sử dụng tên thương mại, công ty hoặc sản phẩm chỉ nhằm mục đích mô tả và không ngụ ý xác nhận của Chính phủ Hoa Kỳ.)

Đá vôi Indiana trong Tòa nhà Apex: Nhiều tòa nhà ở thủ đô của Quốc gia được phủ bằng đá vôi. Tòa nhà Apex / Ủy ban Thương mại Liên bang có mặt ngoài của đá vôi Indiana. (Ảnh USGS.)

Đá vôi là gì?

"Đá vôi" có nghĩa là bất kỳ loại đá nào được hình thành chủ yếu từ canxi cacbonat (CaCO₃), nhưng đối với các nhà địa chất, đá vôi chỉ là một trong một số loại "đá carbonate". Những loại đá này bao gồm hơn 50% khoáng chất cacbonat, nói chung là khoáng chất canxit (CaCO tinh khiết₃) hoặc dolomite (canxi cacbonat magiê, CaMg₂) hoặc cả hai.

Đá vôi hình thành như thế nào?

Hầu hết các đá carbonate đã được lắng đọng từ nước biển. Những đá carbonate trầm tích này là phổ biến trên mọi lục địa và đã hình thành qua hầu hết lịch sử địa chất; ngày nay chúng vẫn đang hình thành ở vùng nhiệt đới dưới dạng các rạn san hô và dưới đáy biển nông.

Hình thức đá vôi biển vì nước biển có nồng độ cao của hai hóa chất hòa tan chính là canxi (Ca⁺⁺) và bicarbonate (HCO_3-) các ion. Trong lớp gần bề mặt của hầu hết các đại dương, san hô, trai và các sinh vật sống ở biển khác sử dụng hai hóa chất này để tạo ra lớp vỏ bảo vệ bằng cách kết hợp chúng để tạo thành canxit hoặc "aragonit", có cùng thành phần hóa học với canxit nhưng có dạng tinh thể khác nhau.

Hố sụt ở Công viên Mùa đông, Florida: Khối lượng lớn đá vôi có thể được hòa tan và mang đi bởi nước mặt và nước ngầm. Điều này tạo ra các hang động, chẳng hạn như Hang động Carlsbad ở New Mexico (ảnh dưới). Ở vùng khí hậu ẩm ướt, sự hình thành hang động đặc biệt phổ biến và hố sụt có thể phát triển nơi trần hang sụp đổ. Một hố sâu khoảng 240 feet trên mặt đất được mở vào năm 1981 tại Winter Park, Florida, khi trần của một hang động đá vôi bên dưới sụp đổ. Các hang động và hố chìm nằm trong hệ tầng Cypresshead, đây là một tầng chứa nước quan trọng ở miền trung Florida. Trong các tầng chứa nước đá vôi hang động, chất gây ô nhiễm trong nước ngầm di chuyển nhanh hơn nhiều so với các loại đá khác, vì vậy mỏ đá ở những khu vực như vậy là mối quan tâm đặc biệt. (Ảnh USGS.)

Sự hình thành của Dolomite từ đá vôi

Một số đá vôi đã được thay đổi bằng cách đưa magiê vào nước ngầm. Magiê trong nước ngầm có thể chuyển đổi một số hoặc tất cả các canxit trong đá vôi thành dolomit. Ngoài ra, một số tảng đá hình thành gần bờ biển cổ đại ở vùng khí hậu khô cằn chủ yếu là dolomit tại thời điểm chúng được lắng đọng.

Hang đá vôi: Thạch nhũ treo trên trần nhà, và măng đá mọc lên từ sàn của Carlsbad Caverns, New Mexico, trong vòng đá vôi 260 triệu năm tuổi. (Ảnh dịch vụ công viên quốc gia.)

Các loại đá carbonate khác

Đá vôi có nhiều loại khác nhau. Phấn là một loại đá vôi biển rất mịn, hạt mịn bao gồm hầu hết các hóa thạch siêu nhỏ. Travertine là một loại đá vôi trầm tích nước ngọt có các lớp rất mỏng, bị đóng cặn và thường được hình thành tại các suối. Đá cẩm thạch là một loại đá carbonate, thường là đá vôi biển, đã bị ép và biến dạng như nhựa bởi sức nóng và áp lực sâu bên dưới bề mặt Trái đất. Quá trình này được gọi là "biến thái." Ngoài ra còn có các loại đá carbonate "lửa" hiếm hoi đã kết tinh từ magma nóng chảy giống như cách mà lavas hoặc granit có. Chúng được gọi là "carbonatites", và loại đá này được khai thác ở một vài nơi trên thế giới dưới dạng đá vôi công nghiệp.

Khai thác đá carbonate

mỏ đá vôi trầm tích có thể được mở rộng, bao gồm hàng trăm dặm vuông, và có thể tương đối đồng đều trong độ dày và chất lượng. Do đó, mỏ đá vôi có thể lớn và tồn tại lâu dài, khai thác lớp đá vôi có thể được hàng trăm bàn chân dày hơn các khu vực vài dặm vuông. Nhiều mỏ đá sản xuất nhiều sản phẩm, và đá nghiền không đủ tinh khiết cho một số mục đích sử dụng nhất định vẫn có thể phù hợp làm cốt liệu đường. Mỏ đá cẩm thạch cũng có thể rất lớn. Tuy nhiên, những tảng đá từng được trải giường thường xuyên đã bị biến chất thành những cơ thể có hình dạng bất thường, khó khai thác hơn và tốn kém hơn.

Ở các vùng rộng lớn của Hoa Kỳ, có nhiều mỏ đá vôi biển với nhiều độ tuổi khác nhau từ vài nghìn đến hơn 350 triệu năm tuổi. Một số tiền gửi có loại hóa chất cao tới 95% CaCO₃. Tuy nhiên, một số khu vực hoàn toàn không có bất kỳ mỏ đá vôi phù hợp. Hầu hết các chi phí đá vôi cho khách hàng được xác định bởi nó đến từ đâu và làm thế nào nó được vận chuyển. Vận chuyển bằng sà lan trên mặt nước rẻ hơn so với tàu hỏa, do đó, rẻ hơn so với vận chuyển bằng xe tải.

Công dụng của đá vôi

Đá vôi có nhiều ứng dụng công nghiệp và có thể được sử dụng như khai thác hoặc chế biến thành nhiều loại sản phẩm. Nó là nguyên liệu thô cho nhiều loại vật liệu xây dựng, nông nghiệp, môi trường và công nghiệp.

Đá vôi được sử dụng trong xây dựng hầu hết mọi nơi. Năm 2007, đá vôi nghiền là 68% của tất cả đá nghiền được sản xuất tại Hoa Kỳ. Ngoài ra, đá vôi là thành phần chính trong sản xuất xi măng Portland. Mặc dù các quốc gia của chúng ta có nhiều đá vôi, nhưng đã có tình trạng thiếu xi măng trong những năm gần đây.

Một số tinh khiết nhất của đá vôi tự nhiên là viên bi. Trong nhiều thế kỷ, đá cẩm thạch là loại đá trang trí được lựa chọn trong các tòa nhà chính phủ và tượng công cộng. Travertine cũng được sử dụng làm đá kích thước trong gạch và mặt bàn. Một số đá vôi trắng chỉ đơn giản là nghiền và sàng để sử dụng trong cảnh quan và lợp.

Đá vôi dạng bột được sử dụng để loại bỏ tạp chất từ ​​các kim loại nóng chảy như thép. Nó cũng có thể loại bỏ các hợp chất độc hại từ khí thải của các nhà máy điện đốt than. Đá vôi được sử dụng làm chất độn trong nhiều loại sản phẩm, bao gồm giấy, nhựa và sơn. Đá vôi tinh khiết nhất thậm chí được sử dụng trong thực phẩm và thuốc như ngũ cốc ăn sáng và thuốc canxi.

Đá vôi cũng là nguyên liệu thô để tạo ra vôi (CaO) được sử dụng để xử lý đất, làm sạch nước và luyện đồng. Vôi có nhiều ứng dụng bổ sung trong các ngành công nghiệp hóa chất.

Dolomite thường ít phù hợp hơn so với các loại đá vôi công nghiệp khác cho hầu hết các ứng dụng. Hầu hết dolomit được khai thác chỉ đơn giản là nghiền và sàng để sử dụng làm cốt liệu trong bê tông hoặc nhựa đường.

Tình trạng thiếu xi măng Portland

Xi măng Portland là một trong những sản phẩm quan trọng nhất được làm từ đá vôi. Nó là điều cần thiết trong nhiều ứng dụng xây dựng. Hoa Kỳ không tự cung cấp xi măng và phải nhập khẩu từ các nước khác để bù đắp thiếu hụt. Nhập khẩu clinker (sản phẩm từ bước đầu tiên trong sản xuất xi măng) và xi măng thành phẩm chiếm khoảng 23% tổng doanh số xi măng của Hoa Kỳ trong năm 2006. Trong những năm trước năm 2007, xi măng Portland đã bị thiếu hụt nghiêm trọng trên toàn quốc. Cạnh tranh từ các quốc gia khác, một hệ thống vận tải biển không đầy đủ và yêu cầu không gian hàng hóa bị đánh giá thấp là một trong những nguyên nhân.

Khi xi măng Portland thiếu nguồn cung, giá của nó tăng đáng kể. Người tiêu dùng tìm kiếm sản phẩm thay thế. Họ đã sử dụng gỗ được xử lý bằng áp lực, thép cách nhiệt và polystyrene trong các tấm và thậm chí là phần chân tòa nhà được thiết kế lại để giảm lượng xi măng cần thiết. Tình trạng thiếu xi măng cũng gây ra sự chậm trễ trong xây dựng dẫn đến tăng chi phí cho đường, cầu và các tòa nhà.

Nguồn đá vôi trong tương lai

Thiết lập các mỏ đá vôi và nhà máy xi măng mới ở Hoa Kỳ là một quá trình chậm chạp và thiếu hụt nguồn cung đòi hỏi thời gian để khắc phục. Phải mất khoảng 2 năm để xây dựng một nhà máy xi măng mới, và quá trình cho phép có thể mất nhiều thời gian hơn - 8 đến 10 năm. Có lẽ một vấn đề thậm chí còn khó khăn hơn là mọi người có thể không chào đón các mỏ đá và nhà máy mới đến khu vực của họ. Bất chấp những trở ngại này, nhiều công ty xi măng của Mỹ đang trong quá trình mở rộng và hiện đại hóa hoạt động.

Khi một khu vực đá phù hợp và có thể khai thác bị nuốt chửng bởi sự tăng trưởng đô thị hoặc khi việc khai thác bị cấm theo luật hoặc quy hoạch, kết quả được gọi là "khử trùng tài nguyên". Đá vôi là một vật liệu có tầm quan trọng quốc gia, và khử trùng tài nguyên có thể dẫn đến một chuyến đi dài hơn với chi phí cao hơn từ mỏ đá đến khách hàng.

Mô hình sản xuất đá vôi

Hầu hết các đá vôi được khai thác được nghiền để tổng hợp. Phần lớn sản xuất đá nghiền của Hoa Kỳ đã đến từ đá vôi trong ít nhất 40 năm qua. Điều này đúng ngay cả khi đá carbonate chỉ bằng 25 đến 35% đá ở bề mặt.

Các hoạt động khai thác đá nghiền của Mỹ đã giảm về số lượng, mất khoảng 20% ​​mỗi thập kỷ kể từ năm 1971. Tuy nhiên, từ năm 2001 đến 2006, tổng sản lượng đá vôi hàng năm của Mỹ đã tăng theo Tổng kết hàng hóa khoáng sản của Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS), do đó quy mô trung bình của một mỏ đá ngày càng tăng. Ở những nơi khác trên thế giới, sản xuất mới chủ yếu đến từ một vài mỏ đá rất lớn. Mặc dù sản lượng của Hoa Kỳ tăng lên, Quốc gia đã nhập khẩu ngày càng nhiều sản phẩm đá vôi của mình cho đến khi sự suy thoái gần đây trong xây dựng. Những hàng nhập khẩu này chủ yếu đến từ Canada, Mexico và Trung Quốc. Với ít mỏ đá hơn, khoảng cách vận chuyển trung bình sẽ tăng lên và giá đá vôi có thể sẽ tăng thêm một lần nữa.

Một số vấn đề trong khai thác đá vôi

Đá vôi thường được khai thác từ một mỏ đá. Tuy nhiên, các mỏ đá vôi dưới lòng đất được tìm thấy tại các địa điểm ở miền trung và miền đông Hoa Kỳ, đặc biệt là trong và gần các thành phố. Khai thác ngầm đá vôi có một số lợi thế so với khai thác bề mặt và có thể sẽ tăng trong tương lai. Những lo ngại công khai điển hình về khai thác đá vôi bao gồm bụi, tiếng ồn, rung động nổ, và xe tải và các phương tiện giao thông khác liên quan đến hoạt động khai thác đá.

Một số đá vôi cũng là tầng ngậm nước, nghĩa là chúng là những đơn vị đá có thể cung cấp nước cho giếng. Trong đó đá vôi là tầng ngậm nước, có thể có những lo ngại rằng các chất gây ô nhiễm từ các hoạt động khai thác đá có thể thoát ra nước ngầm.

Ở nhiều khu vực của Hoa Kỳ nơi tìm thấy đá vôi, nó dần dần tan trong nước mưa ở bề mặt hoặc trong nước ngầm gần bề mặt. Ở vùng khí hậu ẩm ướt, khối lượng lớn đá vôi hòa tan và được mang đi trong nước. Điều này tạo ra các hang động, và hố sụt có thể phát triển nơi trần hang sụp đổ. Trong các tầng chứa nước đá vôi hang động, chất gây ô nhiễm trong nước ngầm di chuyển nhanh hơn nhiều so với các loại đá khác, vì vậy mỏ đá ở những khu vực như vậy là mối quan tâm đặc biệt.

Sự cần thiết phải hiểu một tài nguyên thiết yếu

Đá vôi là một trong những tài nguyên thiết yếu nhất của quốc gia chúng ta. Hiểu biết của chúng tôi về tài nguyên đó như là một khoáng sản công nghiệp là kém do tầm quan trọng của nó đối với nền kinh tế của chúng tôi. Bởi vì đá vôi đã được coi là một loại đá "phổ biến", nghiên cứu địa chất trước đó bị giới hạn phạm vi. Trước đây, hầu hết các nghiên cứu của USGS về đá vôi đã tập trung vào việc lập bản đồ các mỏ, cũng như hiểu được vai trò của chúng như các tầng chứa nước và hồ chứa dầu mỏ. Tuy nhiên, dữ liệu khác nhau là cần thiết để mô tả đá vôi phù hợp cho xây dựng và các ngành công nghiệp khác. Đá carbonate cần phải đáp ứng các yêu cầu về độ tinh khiết hóa học thay đổi theo mục đích sử dụng. Một số sử dụng đòi hỏi đá vôi cũng có một số tính chất kỹ thuật thuận lợi. Các tiêu chuẩn và yêu cầu đối với việc sử dụng đá vôi đang tăng lên, và cần hiểu biết nhiều hơn về các đặc tính, tính biến đổi và tính chất kỹ thuật của đá vôi.

Đá vôi là một trong những tài nguyên thiết yếu nhất của quốc gia chúng ta. Hiểu biết của chúng tôi về tài nguyên đó như là một khoáng sản công nghiệp là kém do tầm quan trọng của nó đối với nền kinh tế của chúng tôi. Bởi vì đá vôi đã được coi là một loại đá "phổ biến", nghiên cứu địa chất trước đó bị giới hạn phạm vi. Trước đây, hầu hết các nghiên cứu của USGS về đá vôi đã tập trung vào việc lập bản đồ các mỏ, cũng như hiểu được vai trò của chúng như các tầng chứa nước và hồ chứa dầu mỏ. Tuy nhiên, dữ liệu khác nhau là cần thiết để mô tả đá vôi phù hợp cho xây dựng và các ngành công nghiệp khác. Đá carbonate cần phải đáp ứng các yêu cầu về độ tinh khiết hóa học thay đổi theo mục đích sử dụng. Một số sử dụng đòi hỏi đá vôi cũng có một số tính chất kỹ thuật thuận lợi. Các tiêu chuẩn và yêu cầu đối với việc sử dụng đá vôi đang tăng lên, và cần hiểu biết nhiều hơn về các đặc tính, tính biến đổi và các đặc tính kỹ thuật của đá vôi.

Tiêu thụ công nghiệp đá vôi của Hoa Kỳ

Cả hai giới hạn địa chất và kinh tế chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến nguồn cung đá vôi trong tương lai. Hoa Kỳ hiện tiêu thụ từ 5 đến 10% sản lượng đá vôi công nghiệp toàn cầu. Năm 2007, sản xuất đá vôi công nghiệp trong nước đạt khoảng 1,3 tỷ tấn, trị giá hơn 25 tỷ USD. Trong cùng năm đó, Quốc gia đã nhập khẩu khoảng 430.000 tấn đá vôi công nghiệp và các sản phẩm đá vôi, trị giá khoảng 2,2 tỷ USD. Hầu hết các mặt hàng nhập khẩu này là xi măng Portland.

Đáp ứng thách thức cung cấp nhu cầu của châu Mỹ cho các mặt hàng khoáng sản thiết yếu như đá vôi công nghiệp đòi hỏi dữ liệu khoa học chính xác và không thiên vị. Công việc liên tục của các nhà khoa học với Chương trình Tài nguyên khoáng sản USGS cung cấp thông tin quan trọng cho việc tạo ra các chính sách hợp lý sẽ giúp đảm bảo nguồn cung tài nguyên khoáng sản trong tương lai.