หินปูน: หินตะกอนทางเคมีของแคลเซียมคาร์บอเนต

เนื้อหา

• หินปูนคืออะไร
• หินปูนก่อตัวอย่างไร?
• การก่อตัวของโดโลไมต์จากหินปูน
• หินคาร์บอเนตประเภทอื่น
• การขุดหินคาร์บอเนต
• การใช้หินปูน
• ปัญหาการขาดแคลนปูนซีเมนต์ในพอร์ตแลนด์
• แหล่งที่มาของหินปูนในอนาคต
• รูปแบบการผลิตหินปูน
• ปัญหาบางอย่างในการขุดหินปูน
• ความต้องการที่จะเข้าใจทรัพยากรที่จำเป็น
• สหรัฐอเมริกาการใช้หินปูนในอุตสาหกรรม

ผลิตภัณฑ์ที่ทำด้วยหินปูน: หินปูนเป็นแร่ธาตุที่มีความสำคัญระดับประเทศ ผลิตภัณฑ์หลายอย่างที่ทำจากหินปูนแสดงอยู่ในภาพนี้: ซีเรียลอาหารเช้า, สี, เม็ดเสริมแคลเซียม, โต๊ะหินอ่อน, ยาแก้ท้องเฟ้อ, กระดาษยาลดกรด, กระดาษคุณภาพสูง, เม็ดหลังคาสีขาวและปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ (รูปถ่าย USGS การใช้ชื่อทางการค้า บริษัท หรือผลิตภัณฑ์นั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นการอธิบายเท่านั้นและไม่ได้หมายความถึงการรับรองโดยรัฐบาลสหรัฐฯ)

หินปูนอินเดียนาในอาคารเอเพ็กซ์: อาคารหลายหลังในเมืองหลวงถูกปกคลุมด้วยหินปูน Apex Building / Federal Trade Commission มีรูปลักษณ์ภายนอกของหินปูนอินเดียนา (รูปถ่าย USGS)

หินปูนคืออะไร

"หินปูน" หมายถึงหินที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่ของแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO)₃) แต่สำหรับนักธรณีวิทยาหินปูนเป็นเพียงหนึ่งใน "หินคาร์บอเนต" หลายประเภท หินเหล่านี้ประกอบด้วยแร่คาร์บอเนตมากกว่า 50% โดยทั่วไปแร่แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO บริสุทธิ์₃) หรือโดโลไมต์ (แคลเซียมแมกนีเซียมคาร์บอเนต, CaMg₂) หรือทั้งคู่.

หินปูนก่อตัวอย่างไร?

หินคาร์บอเนตส่วนใหญ่ถูกสะสมมาจากน้ำทะเล หินตะกอนคาร์บอเนตเหล่านี้พบได้ทั่วไปในทุกทวีปและก่อตัวขึ้นตลอดประวัติศาสตร์แร่ พวกเขายังคงก่อตัววันนี้ในเขตร้อนเป็นแนวปะการังและที่ก้นทะเลตื้น

หินปูนทางทะเลก่อตัวขึ้นเนื่องจากน้ำทะเลมีความเข้มข้นสูงของสารเคมีที่ละลายในน้ำ 2 ชนิดคือแคลเซียม (Ca⁺⁺) และไบคาร์บอเนต (HCO)_3-) ไอออน ในชั้นใกล้พื้นผิวของมหาสมุทรปะการังปะการังและสิ่งมีชีวิตในทะเลอื่น ๆ ใช้สารเคมีสองชนิดนี้ในการสร้างเกราะป้องกันโดยการรวมพวกมันให้กลายเป็นแคลไซต์หรือ "aragonite" ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีเช่นเดียวกับแคลไซต์ แต่มี รูปแบบคริสตัลที่แตกต่างกัน

Sinkhole in Winter Park, Florida: หินปูนปริมาณมากสามารถละลายและเคลื่อนตัวออกจากน้ำผิวดินและน้ำใต้ดิน สิ่งนี้สร้างถ้ำเช่น Carlsbad Caverns ในนิวเม็กซิโก (ภาพด้านล่าง) ในสภาพอากาศชื้นการก่อตัวของถ้ำเป็นเรื่องธรรมดาโดยเฉพาะและ sinkholes อาจพัฒนาที่เพดานถ้ำพัง sinkhole ประมาณ 240 ฟุตที่ระดับพื้นดินเปิดในปี 1981 ใน Winter Park, Florida เมื่อเพดานของถ้ำหินปูนต้นแบบทรุดตัวลง ถ้ำและ sinkhole อยู่ในรูปแบบ Cypresshead ซึ่งเป็นชั้นหินอุ้มน้ำที่สำคัญในฟลอริดาตอนกลาง ในชั้นหินอุ้มน้ำหินปูนถ้ำสารปนเปื้อนในน้ำใต้ดินจะเคลื่อนที่เร็วกว่าหินประเภทอื่น ๆ ดังนั้นเหมืองในพื้นที่ดังกล่าวจึงมีความกังวลเป็นพิเศษ (รูปถ่าย USGS)

การก่อตัวของโดโลไมต์จากหินปูน

หินปูนบางชนิดมีการเปลี่ยนแปลงโดยการแนะนำของแมกนีเซียมในน้ำใต้ดิน แมกนีเซียมในน้ำใต้ดินอาจแปลงแคลไซต์บางส่วนหรือทั้งหมดในหินปูนเป็นโดโลไมต์ นอกจากนี้หินบางก้อนที่ก่อตัวขึ้นใกล้ชายฝั่งทะเลโบราณในสภาพอากาศที่แห้งแล้งส่วนใหญ่เป็นโดโลไมต์ในเวลาที่มีการสะสม

ถ้ำหินปูน: หินงอกหินย้อยห้อยลงมาจากเพดานและหินงอกหินย้อยเพิ่มขึ้นจากพื้นถ้ำ Carlsbad Caverns รัฐนิวเม็กซิโกภายในหินปูนอายุ 260 ล้านปี (รูปถ่ายบริการอุทยานแห่งชาติ)

หินคาร์บอเนตประเภทอื่น

หินปูนมีหลายสายพันธุ์ ชอล์กเป็นหินปูนทะเลที่มีรูพรุนและละเอียดมากประกอบไปด้วยฟอสซิลด้วยกล้องจุลทรรศน์เกือบทั้งหมด Travertine เป็นหินปูนตะกอนน้ำจืดที่มีชั้นบางมาก crenulated และเกิดขึ้นทั่วไปที่สปริง หินอ่อนเป็นหินคาร์บอเนตโดยปกติจะเป็นหินปูนทางทะเลที่ถูกบีบและเสียรูปเหมือนพลาสติกด้วยความร้อนและแรงกดที่ลึกลงไปใต้พื้นผิวโลก กระบวนการนี้เรียกว่า "การแปรสภาพ" นอกจากนี้ยังมีหินคาร์บอเนต“ หินอัคนี” ที่หายากที่ตกผลึกจากแมกมาหลอมเหลวในแบบเดียวกับที่ลาวาหรือหินแกรนิตมี เหล่านี้เรียกว่า "carbonatites" และหินชนิดนี้ขุดได้ในไม่กี่แห่งในโลกในฐานะหินปูนอุตสาหกรรม

การขุดหินคาร์บอเนต

หินปูนตะกอนสามารถครอบคลุมได้หลายร้อยตารางไมล์และมีความหนาและคุณภาพสม่ำเสมอ ดังนั้นเหมืองหินปูนอาจมีขนาดใหญ่และมีอายุยาวนานเหมืองหินปูนที่หนาหลายร้อยฟุตเหนือพื้นที่หลายตารางไมล์ เหมืองหลายแห่งผลิตผลิตภัณฑ์หลายชนิดและหินบดที่ไม่บริสุทธิ์พอสำหรับการใช้งานบางอย่างอาจยังคงเหมาะสมเมื่อรวมเข้ากับถนน เหมืองหินอ่อนอาจมีขนาดใหญ่มาก อย่างไรก็ตามหินเหล่านี้ซึ่งครั้งหนึ่งเคยถูกจัดวางอย่างสม่ำเสมอได้ถูกแปรสภาพเป็นรูปร่างที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งยากต่อการขุดและมีราคาสูงกว่า

ในส่วนใหญ่ของสหรัฐอเมริกามีหินปูนทางทะเลหลายยุคหลายสมัยตั้งแต่อายุไม่กี่พันถึงกว่า 350 ล้านปี เงินฝากบางส่วนมีเกรดทางเคมีสูงถึง 95% CaCO₃. อย่างไรก็ตามบางพื้นที่ยังคงสมบูรณ์โดยไม่มีคราบหินปูนที่เหมาะสม ต้นทุนส่วนใหญ่ของหินปูนให้กับลูกค้านั้นพิจารณาจากระยะทางที่ไกลออกไปและการจัดส่ง การจัดส่งสินค้าโดยเรือบนน้ำมีราคาถูกกว่าโดยรถไฟซึ่งในทางกลับกันมีราคาถูกกว่าการจัดส่งสินค้าโดยรถบรรทุก

การใช้หินปูน

หินปูนมีการใช้ในอุตสาหกรรมมากมายและสามารถใช้เป็นเหมืองแร่หรือแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย เป็นวัตถุดิบสำหรับการก่อสร้างที่หลากหลายการเกษตรสิ่งแวดล้อมและวัสดุอุตสาหกรรม

หินปูนใช้ในการก่อสร้างเกือบทุกที่ ในปี 2550 หินปูนที่ถูกบดขยี้เป็น 68% ของหินที่ถูกบดทั้งหมดที่ผลิตในสหรัฐอเมริกา นอกจากนี้หินปูนยังเป็นส่วนผสมสำคัญในการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ แม้จะมีหินปูนมากมายในประเทศของเรา แต่ก็มีการขาดแคลนปูนซีเมนต์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

หินปูนธรรมชาติที่บริสุทธิ์ที่สุดบางชนิดเป็นหินอ่อน เป็นเวลาหลายศตวรรษที่หินอ่อนเป็นหินประดับที่เป็นที่นิยมในอาคารของรัฐและรูปปั้นสาธารณะ Travertine ยังใช้เป็นหินขนาดในกระเบื้องและโต๊ะ หินปูนสีขาวบางส่วนถูกบดและร่อนเพื่อใช้ในการจัดสวนและมุงหลังคา

ผงหินปูนใช้สำหรับกำจัดสิ่งสกปรกออกจากโลหะที่หลอมละลายเช่นเหล็ก นอกจากนี้ยังสามารถกำจัดสารพิษจากไอเสียของโรงไฟฟ้าถ่านหิน หินปูนใช้เป็นสารตัวเติมในผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายรวมถึงกระดาษพลาสติกและสี หินปูนบริสุทธิ์ใช้ในอาหารและยารักษาโรคเช่นซีเรียลอาหารเช้าและแคลเซียมเม็ด

หินปูนยังเป็นวัตถุดิบในการทำปูนขาว (CaO) ที่ใช้ในการบำบัดดินน้ำบริสุทธิ์และทองแดงหลอมเหลว มะนาวมีประโยชน์หลายอย่างในอุตสาหกรรมเคมี

โดยทั่วไปแล้วโดโลไมท์จะเหมาะสมน้อยกว่าหินปูนอุตสาหกรรมอื่น ๆ สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ โดโลไมต์ส่วนใหญ่ที่ถูกขุดนั้นจะถูกบดและร่อนเพื่อใช้เป็นมวลรวมในคอนกรีตหรือแอสฟัลต์

ปัญหาการขาดแคลนปูนซีเมนต์ในพอร์ตแลนด์

ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่สำคัญที่สุดที่ทำจากหินปูน มันเป็นสิ่งจำเป็นในการใช้งานก่อสร้างมากมาย สหรัฐอเมริกาไม่พอเพียงในปูนซีเมนต์และต้องนำเข้าจากประเทศอื่น ๆ เพื่อชดเชยการขาดแคลน การนำเข้าปูนเม็ด (ผลิตภัณฑ์จากขั้นตอนแรกในการทำซีเมนต์) และซีเมนต์สำเร็จรูปคิดเป็นประมาณ 23% ของยอดขายปูนซีเมนต์ทั้งหมดในสหรัฐอเมริกาในปี 2549 ในปีที่ผ่านมาก่อนปี 2550 ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ขาดแคลนอย่างมากในประเทศ การแข่งขันจากประเทศอื่น ๆ ระบบการขนส่งทางทะเลที่ไม่เพียงพอและความต้องการพื้นที่เก็บสัมภาระต่ำเกินไปนั้นเป็นสาเหตุ

เมื่อปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ขาดแคลนอุปทานมากราคาของมันก็สูงขึ้นอย่างมาก ผู้บริโภคต้องการทดแทน พวกเขาใช้ไม้ที่ผ่านการบาบัดความดันเหล็กหุ้มฉนวนและโพลีสไตรีนในแผงและแม้แต่ส่วนท้ายของอาคารที่ออกแบบใหม่เพื่อลดปริมาณของซีเมนต์ที่ต้องการ การขาดแคลนปูนซีเมนต์ทำให้การก่อสร้างล่าช้าซึ่งส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นสำหรับถนนสะพานและอาคาร

แหล่งที่มาของหินปูนในอนาคต

การสร้างเหมืองหินปูนใหม่และโรงงานปูนซีเมนต์ในสหรัฐอเมริกาเป็นกระบวนการที่ช้าและการขาดแคลนวัสดุต้องใช้เวลาในการแก้ไข ใช้เวลาประมาณ 2 ปีในการสร้างโรงงานปูนซีเมนต์ใหม่และกระบวนการขออนุญาตอาจใช้เวลานานกว่านั้น - 8 ถึง 10 ปี บางทีปัญหาที่ท้าทายยิ่งกว่าคือผู้คนอาจไม่ต้อนรับเหมืองและพืชใหม่ในพื้นที่ของพวกเขา ทั้งๆที่มีสิ่งกีดขวางเหล่านี้ บริษัท ปูนซิเมนต์ในสหรัฐอเมริกาหลายแห่งกำลังอยู่ในขั้นตอนของการขยายและปรับปรุงการดำเนินงานให้ทันสมัย

เมื่อพื้นที่ของหินที่เหมาะสมและที่ขุดได้ถูกกลืนหายไปจากการเจริญเติบโตของเมืองหรือเมื่อการห้ามทำเหมืองโดยการออกกฎหมายหรือการแบ่งเขตผลลัพธ์จะถูกเรียกว่า "การทำหมันทรัพยากร" หินปูนเป็นวัสดุที่มีความสำคัญระดับชาติและการฆ่าเชื้อด้วยทรัพยากรอาจส่งผลให้ระยะเวลาในการขนส่งนานขึ้นด้วยค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้นจากเหมืองหินให้กับลูกค้า

รูปแบบการผลิตหินปูน

หินปูนส่วนใหญ่ที่ขุดได้ถูกบดอัดเพื่อรวม การผลิตหินที่ถูกบดในสหรัฐอเมริกาส่วนใหญ่มาจากหินปูนเป็นเวลาอย่างน้อย 40 ปีที่ผ่านมา สิ่งนี้เป็นจริงแม้ว่าหินคาร์บอเนตจะมีเพียง 25 ถึง 35% ของหินที่ผิว

การบดหินของสหรัฐมีจำนวนลดลงประมาณ 20% การสูญเสียต่อทศวรรษตั้งแต่ปี 2514 อย่างไรก็ตามจากปี 2544 ถึงปี 2549 การผลิตหินปูนรวมของสหรัฐเพิ่มขึ้นทุกปีตามการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐ (USGS) สรุปสินค้าแร่ดังนั้นขนาดเฉลี่ยของ เหมืองจะเพิ่มขึ้น ในส่วนอื่น ๆ ของโลกการผลิตใหม่ส่วนใหญ่มาจากเหมืองขนาดใหญ่เพียงไม่กี่แห่ง แม้จะมีการผลิตในสหรัฐอเมริกาเพิ่มขึ้น แต่ประเทศก็นำเข้าผลิตภัณฑ์หินปูนมากขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งการก่อสร้างเริ่มชะลอตัวลง การนำเข้าเหล่านี้ส่วนใหญ่มาจากแคนาดาเม็กซิโกและจีน ระยะทางโดยเฉลี่ยจะเพิ่มขึ้นและราคาหินปูนจะเพิ่มขึ้นอีกครั้ง

ปัญหาบางอย่างในการขุดหินปูน

หินปูนส่วนใหญ่มักจะขุดจากเหมือง อย่างไรก็ตามเหมืองหินปูนใต้ดินอยู่ในสถานที่ในภาคกลางและตะวันออกของสหรัฐอเมริกาโดยเฉพาะในและใกล้เมือง การขุดใต้ดินของหินปูนมีข้อได้เปรียบมากกว่าการขุดเจาะพื้นผิวและอาจจะเพิ่มขึ้นในอนาคต ความกังวลของสาธารณชนทั่วไปเกี่ยวกับการขุดหินปูน ได้แก่ ฝุ่นเสียงการสั่นสะเทือนจากการระเบิดและรถบรรทุกและการจราจรอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการปฏิบัติการเหมืองหิน

หินปูนบางชนิดก็เป็นชั้นหินอุ้มน้ำด้วยเช่นกันนั่นก็คือหินหน่วยที่สามารถให้น้ำกับบ่อน้ำได้ ในกรณีที่หินปูนเป็นชั้นหินอุ้มน้ำอาจมีความกังวลว่าสารปนเปื้อนจากการทำเหมืองหินสามารถหนีลงสู่น้ำใต้ดินได้

ในหลายพื้นที่ของสหรัฐอเมริกาที่พบหินปูนมันจะค่อยๆละลายในน้ำฝนที่ผิวดินหรือในน้ำใต้ดินใกล้ผิวดิน ในสภาพอากาศชื้นปริมาณหินปูนละลายในน้ำ เรื่องนี้สร้างถ้ำและ sinkholes อาจพัฒนาที่ยุบเพดานถ้ำ ในชั้นหินอุ้มน้ำหินปูนถ้ำสารปนเปื้อนในน้ำใต้ดินจะเคลื่อนที่เร็วกว่าหินประเภทอื่น ๆ ดังนั้นเหมืองในพื้นที่ดังกล่าวจึงมีความกังวลเป็นพิเศษ

ความต้องการที่จะเข้าใจทรัพยากรที่จำเป็น

หินปูนเป็นหนึ่งในทรัพยากรที่สำคัญที่สุดของสหประชาชาติ ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับทรัพยากรดังกล่าวในฐานะแร่อุตสาหกรรมนั้นไม่ดีเนื่องจากความสำคัญต่อเศรษฐกิจของเรา เนื่องจากหินปูนได้รับการยกย่องว่าเป็นหิน "ทั่วไป" การวิจัยทางธรณีวิทยาก่อนหน้านี้จึงถูก จำกัด ขอบเขต ในอดีตงานวิจัย USGS ส่วนใหญ่เกี่ยวกับหินปูนได้มุ่งเน้นไปที่การทำแผนที่การสะสมรวมถึงการทำความเข้าใจบทบาทของพวกเขาในฐานะที่เป็นชั้นหินอุ้มน้ำและอ่างเก็บน้ำปิโตรเลียม อย่างไรก็ตามข้อมูลที่แตกต่างกันมีความจำเป็นในการจำแนกลักษณะของหินปูนที่เหมาะสมกับการก่อสร้างและอุตสาหกรรมอื่น ๆ หินคาร์บอเนตจำเป็นต้องผ่านข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ทางเคมีที่แตกต่างกันไปตามการใช้งาน การใช้งานบางอย่างต้องการให้หินปูนมีคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่ดีเช่นกัน มาตรฐานและข้อกำหนดสำหรับการใช้งานหินปูนกำลังเพิ่มขึ้นและจำเป็นต้องมีความเข้าใจในลักษณะของหินปูนความแปรปรวนและคุณสมบัติทางวิศวกรรม

หินปูนเป็นหนึ่งในทรัพยากรที่สำคัญที่สุดของสหประชาชาติ ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับทรัพยากรดังกล่าวในฐานะแร่อุตสาหกรรมนั้นไม่ดีเนื่องจากความสำคัญต่อเศรษฐกิจของเรา เนื่องจากหินปูนได้รับการยกย่องว่าเป็นหิน "ทั่วไป" การวิจัยทางธรณีวิทยาก่อนหน้านี้จึงถูก จำกัด ขอบเขต ในอดีตงานวิจัย USGS ส่วนใหญ่เกี่ยวกับหินปูนได้มุ่งเน้นไปที่การทำแผนที่การสะสมรวมถึงการทำความเข้าใจบทบาทของพวกเขาในฐานะที่เป็นชั้นหินอุ้มน้ำและอ่างเก็บน้ำปิโตรเลียม อย่างไรก็ตามข้อมูลที่แตกต่างกันมีความจำเป็นในการจำแนกลักษณะของหินปูนที่เหมาะสมกับการก่อสร้างและอุตสาหกรรมอื่น ๆ หินคาร์บอเนตจำเป็นต้องผ่านข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ทางเคมีที่แตกต่างกันไปตามการใช้งาน การใช้งานบางอย่างต้องการให้หินปูนมีคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่ดีเช่นกัน มาตรฐานและข้อกำหนดสำหรับการใช้งานหินปูนกำลังเพิ่มขึ้นและจำเป็นต้องมีความเข้าใจในลักษณะของหินปูนความแปรปรวนและคุณสมบัติทางวิศวกรรม

สหรัฐอเมริกาการใช้หินปูนในอุตสาหกรรม

ทั้งข้อ จำกัด ทางธรณีวิทยาและทางเศรษฐกิจจะส่งผลกระทบต่อปริมาณหินปูนในอนาคต ปัจจุบันสหรัฐอเมริกาใช้พลังงานระหว่าง 5 ถึง 10% ของการผลิตหินปูนอุตสาหกรรมทั่วโลก ในปี 2550 การผลิตหินปูนอุตสาหกรรมในประเทศประมาณ 1.3 พันล้านเมตริกตันซึ่งมีมูลค่ามากกว่า $ 25 พันล้าน ในปีเดียวกันนั้น Nation นำเข้าหินปูนอุตสาหกรรมและผลิตภัณฑ์หินปูนประมาณ 430,000 ตันคิดเป็นมูลค่าประมาณ 2.2 พันล้านดอลลาร์ การนำเข้าส่วนใหญ่เป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์

การตอบสนองความท้าทายของการจัดหาความต้องการของอเมริกาสำหรับสินค้าแร่ที่จำเป็นเช่นหินปูนอุตสาหกรรมต้องการข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่ถูกต้องและเป็นกลาง การทำงานอย่างต่อเนื่องของนักวิทยาศาสตร์ด้วยโปรแกรมทรัพยากรแร่ USGS ให้ข้อมูลที่สำคัญต่อการสร้างนโยบายเสียงที่จะช่วยให้มั่นใจว่าแหล่งทรัพยากรแร่ในอนาคต