الحجر الجيري: صخور الكربونات الكيميائية الكربونية

المحتوى

• ما هو الحجر الجيري؟
• كيف شكل الحجر الجيري؟
• تشكيل الدولوميت من الحجر الجيري
• أنواع أخرى من كربونات روك
• تعدين صخور الكربونات
• استخدامات الحجر الجيري
• بورتلاند الاسمنت نقص
• مصادر الحجر الجيري في المستقبل
• أنماط إنتاج الحجر الجيري
• بعض القضايا في الحجر الجيري التعدين
• الحاجة إلى فهم مورد أساسي
• الاستهلاك الصناعي للولايات المتحدة من الحجر الجيري

المنتجات المصنوعة من الحجر الجيري: الحجر الجيري هو سلعة معدنية أساسية ذات أهمية وطنية. تظهر في هذه الصورة بعض المنتجات العديدة المصنوعة من الحجر الجيري: حبوب الإفطار ، الطلاء ، حبوب مكملات الكالسيوم ، منضدية رخامية ، أقراص مضادة للحموضة ، ورق عالي الجودة ، حبيبات تسقيف بيضاء ، وأسمنت بورتلاند. (صورة هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) ؛ استخدام الأسماء التجارية أو الشركة أو المنتجات لأغراض وصفية فقط ولا تعني موافقة الحكومة الأمريكية عليها).

الحجر الجيري إنديانا في مبنى أبيكس: العديد من المباني في عاصمة الأمم مغطاة بالحجر الجيري. يوجد مبنى Apex Building / Federal Trade Commission في الجزء العلوي الخارجي من الحجر الجيري في إنديانا. (صورة USGS.)

ما هو الحجر الجيري؟

"الحجر الجيري" يعني أي صخرة تتكون في معظمها من كربونات الكالسيوم (CaCO₃) ، ولكن بالنسبة للجيولوجيين ، الحجر الجيري هو واحد فقط من عدة أنواع من "صخور الكربونات". تتكون هذه الصخور من أكثر من 50٪ من معادن الكربونات ، عمومًا من معادن الكالسيت (CaCO النقي)₃) أو الدولوميت (كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم ، CaMg₂) او كلاهما.

كيف شكل الحجر الجيري؟

ترسبت معظم صخور الكربونات من مياه البحر. هذه الصخور الكربونية الرسوبية شائعة في كل قارة وتشكلت عبر معظم التاريخ الجيولوجي ؛ أنها لا تزال تتشكل اليوم في المناطق الاستوائية كالشعاب المرجانية وفي قيعان البحار الضحلة.

يتشكل الحجر الجيري البحري لأن مياه البحر تحتوي على تركيزات عالية من مادتين أساسيتين من المواد الكيميائية الذائبة في الكالسيوم (Ca⁺⁺) وبيكربونات (HCO_3-) أيونات. في الطبقة القريبة من السطح في معظم المحيطات ، تستخدم الشعاب المرجانية ، والمحار ، وغيرها من الكائنات التي تعيش في البحر هاتين الكيميائيتين لصنع قذائف واقية من خلال الجمع بينهما لتشكيل الكالسيت أو "أراغونيت" ، وهو نفس التركيب الكيميائي للكالسيت ولكن له شكل الكريستال مختلفة.

مغسلة في وينتر بارك ، فلوريدا: يمكن إذابة كميات كبيرة من الحجر الجيري وحملها بواسطة المياه السطحية والمياه الجوفية. هذا يخلق كهوف ، مثل كهوف كارلسباد في نيو مكسيكو (الصورة أدناه). في المناخات الرطبة ، يكون تكوين الكهف شائعًا بشكل خاص ، وقد تتطور فتحات المجاري حيث ينهار السقوف. فتحة في عمق الأرض على ارتفاع 240 قدمًا في عام 1981 في وينتر بارك بولاية فلوريدا ، عندما انهار سقف كهف من الحجر الجيري الأساسي. الكهف والمجرى في تكوين Cypresshead ، وهو طبقة مياه جوفية مهمة في وسط فلوريدا. في طبقات المياه الجوفية الكهربية الكهفية ، تنتقل الملوثات في المياه الجوفية بشكل أسرع بكثير من الأنواع الأخرى من الصخور ، لذلك تشكل المحاجر في هذه المناطق شواغل خاصة. (صورة USGS.)

تشكيل الدولوميت من الحجر الجيري

تم تغيير بعض أنواع الحجر الجيري بإدخال المغنيسيوم في المياه الجوفية. المغنيسيوم في المياه الجوفية قد يحول بعض أو كل من الكالسيت في الحجر الجيري إلى الدولوميت. أيضا ، كانت بعض الصخور التي تشكلت بالقرب من شواطئ البحار القديمة في المناخات القاحلة دولوميت في الغالب عند ترسبها.

كهف الحجر الجيري: تتدفق الصواعد من السقف ، وترتفع الصواعد من أرضية الكهوف كارلسباد ، نيو مكسيكو ، داخل حجر جيري عمره 260 مليون عام. (صورة National Park Service.)

أنواع أخرى من كربونات روك

الحجر الجيري يأتي في العديد من أنواع مختلفة. الطباشير عبارة عن حجر جيري بحري يسهل اختراقه ، يتكون بالكامل من أحافير مجهرية. الترافرتين عبارة عن حجر جيري رسوبي بالمياه العذبة وله طبقات رفيعة جدًا من الكربنة وتتشكل عادةً في الينابيع. الرخام هو صخرة كربونية ، عادة ما تكون عبارة عن حجر جيري بحري ، تم عصره وتشويهه كالبلاستيك بسبب الحرارة والضغط الكبيرين تحت سطح الأرض. وتسمى هذه العملية "التحول". هناك أيضًا صخور كربونية نادرة نادرة تبلورت من الصهارة المنصهرة بالطريقة نفسها التي توجد بها حمم اللافا والجرانيت. وتسمى هذه "كربونات" ، ويتم استخراج هذا النوع من الصخور في أماكن قليلة في العالم بالحجر الجيري الصناعي.

تعدين صخور الكربونات

يمكن أن تكون رواسب الحجر الجيري الرسوبي واسعة النطاق ، حيث تغطي مئات الأميال المربعة ، ويمكن أن تكون متجانسة نسبيًا من حيث الجودة والجودة. لذلك ، يمكن أن تكون محاجر الحجر الجيري كبيرة وطويلة العمر ، وتستخرج طبقات الحجر الجيري التي يمكن أن يصل سمكها إلى مئات الأقدام على مساحات عدة أميال مربعة. تنتج العديد من المحاجر العديد من المنتجات ، وقد تظل الصخور المكسرة غير النقية بما يكفي لاستخدامات معينة مناسبة لتجميع الطرق. يمكن أن تكون محاجر الرخام أيضًا كبيرة جدًا. ومع ذلك ، فإن هذه الصخور التي كانت ذات فراش منتظم قد تحولت إلى أجسام غير منتظمة الشكل تكون أكثر صعوبة وأقل تكلفة.

في أجزاء كبيرة من الولايات المتحدة توجد رواسب واسعة من الحجر الجيري البحري من مختلف الأعمار من عدة آلاف إلى أكثر من 350 مليون سنة. تحتوي بعض الرواسب على درجات كيميائية تصل إلى 95٪ من مادة الكالسيوم₃. ومع ذلك ، فإن بعض المناطق هي تماما دون أي رواسب الحجر الجيري مناسبة. يتم تحديد معظم تكلفة الحجر الجيري للعميل من خلال المسافة التي تأتي منها وكيف يتم شحنها. إن الشحن عن طريق المراكب على الماء أرخص من القطار ، وهو بدوره أرخص من الشحن بواسطة الشاحنات.

استخدامات الحجر الجيري

يحتوي الحجر الجيري على العديد من الاستخدامات الصناعية ويمكن استخدامه كتعدين أو معالج في مجموعة واسعة من المنتجات. إنها المادة الخام لمجموعة كبيرة ومتنوعة من مواد البناء والزراعية والبيئية والصناعية.

يستخدم الحجر الجيري في البناء في كل مكان تقريبا. في عام 2007 ، كان الحجر الجيري المسحوق 68 ٪ من جميع الصخور المحطمة المنتجة في الولايات المتحدة. أيضا ، الحجر الجيري هو العنصر الرئيسي في صنع بورتلاند الاسمنت. على الرغم من وفرة دولنا من الحجر الجيري ، فقد كان هناك نقص في الأسمنت في السنوات الأخيرة.

بعض من أنقى من الحجر الجيري الطبيعي والرخام. لقرون ، كان الرخام حجر الديكور المفضل في المباني الحكومية والتماثيل العامة. يستخدم الحجر الجيري أيضًا كحجر بعد في البلاط والأجهزة اللوحية. يتم سحق وغربلة بعض الحجر الجيري الأبيض لاستخدامه في المناظر الطبيعية والسقوف.

يستخدم الحجر الجيري المسحوق لإزالة الشوائب من المعادن المنصهرة مثل الصلب. يمكنه أيضًا إزالة المركبات السامة من عادم محطات توليد الطاقة التي تعمل بحرق الفحم. يستخدم الحجر الجيري كملء في مجموعة متنوعة من المنتجات ، بما في ذلك الورق والبلاستيك والطلاء. حتى أنقى الحجر الجيري يستخدم في الأطعمة والأدوية مثل حبوب الإفطار وحبوب الكالسيوم.

الحجر الجيري هو أيضا المادة الخام لصنع الجير (CaO) الذي يستخدم لعلاج التربة ، وتنقية المياه ، ورائحة النحاس. الجير له العديد من الاستخدامات الإضافية في الصناعات الكيميائية.

الدولوميت عادة ما تكون أقل ملاءمة من الحجر الجيري الصناعي لمعظم التطبيقات. معظم الدولوميت الذي يتم تعدينه يتم سحقه ومنخله ببساطة لاستخدامه في الركام في الخرسانة أو الإسفلت.

بورتلاند الاسمنت نقص

اسمنت بورتلاند هو واحد من أهم المنتجات المصنوعة من الحجر الجيري. من الضروري في العديد من تطبيقات البناء. الولايات المتحدة ليست مكتفية ذاتيا في الأسمنت وعليها استيرادها من بلدان أخرى لتعويض النقص. شكلت واردات الكلنكر (المنتج من الخطوة الأولى في صناعة الأسمنت) والأسمنت النهائي حوالي 23 ٪ من إجمالي مبيعات الأسمنت الأمريكية في عام 2006. في السنوات التي سبقت عام 2007 ، كان الأسمنت البورتلاندي يعاني من نقص خطير في الأمة. وكانت المنافسة من بلدان أخرى ، وعدم كفاية نظام النقل البحري ، والاحتياجات المقدرة من مساحة الشحن من بين الأسباب.

عندما كان اسمنت بورتلاند يعاني من نقص شديد ، ارتفع سعره بشكل ملحوظ. سعى المستهلكين بدائل. لقد استخدموا الأخشاب المعالجة بالضغط والصلب المعزول والبوليسترين في الألواح ، وحتى إعادة تصميم مساحات بناء المباني لتقليل كمية الأسمنت اللازمة. كما تسبب نقص الأسمنت في تأخير البناء مما أدى إلى زيادة تكاليف الطرق والجسور والمباني.

مصادر الحجر الجيري في المستقبل

إنشاء محاجر الحجر الجيري الجديدة ومصانع الأسمنت في الولايات المتحدة هي عملية بطيئة ، ونقص المعروض يحتاج إلى وقت لتصحيح. يستغرق إنشاء مصنع أسمنت جديد حوالي عامين ، وقد تستغرق عملية التصريح وقتًا أطول من 8 إلى 10 سنوات. ربما تكون المشكلة الأكثر صعوبة هي أن الناس قد لا يرحبون بالمحاجر والنباتات الجديدة في منطقتهم. على الرغم من هذه العقبات ، فإن العديد من شركات الأسمنت الأمريكية بصدد توسيع وتحديث عملياتها.

عندما يبتلع النمو الحضري مساحة من الصخور المناسبة والقابلة للتعدين أو عندما يصبح التعدين محظوراً بموجب التشريعات أو تقسيم المناطق ، فإن النتيجة تسمى "تعقيم الموارد". الحجر الجيري هو مادة ذات أهمية وطنية ، ويمكن أن يؤدي تعقيم الموارد إلى مد فترة أطول بتكلفة أعلى من المحجر إلى العميل.

أنماط إنتاج الحجر الجيري

يتم سحق معظم الحجر الجيري الذي يتم استخراجه من أجل التجميع. معظم إنتاج الأحجار المكسورة في الولايات المتحدة جاء من الحجر الجيري لمدة 40 عامًا على الأقل. هذا صحيح على الرغم من أن صخور الكربونات لا تشكل سوى 25 إلى 35 ٪ من الصخور الموجودة على السطح.

لقد انخفض عدد عمليات الحجر المكسر في الولايات المتحدة ، حيث انخفضت الخسائر بنسبة 20٪ تقريبًا كل عشر سنوات منذ عام 1971. ومع ذلك ، فمن عام 2001 إلى عام 2006 ، زاد إجمالي الإنتاج السنوي من الحجر الجيري في الولايات المتحدة وفقًا لموجزات المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) للمعادن ، وبالتالي فإن متوسط ​​حجم المحجر يتزايد. في أجزاء أخرى من العالم ، يأتي الإنتاج الجديد أساسًا من عدد قليل من المحاجر الكبيرة جدًا. على الرغم من زيادة الإنتاج في الولايات المتحدة ، كانت الأمة تستورد المزيد والمزيد من منتجاتها من الحجر الجيري حتى التراجع الأخير في البناء. تأتي هذه الواردات في المقام الأول من كندا والمكسيك والصين. مع عدد أقل من المحاجر ، سيزداد متوسط ​​مسافة المسافات ، ومن المرجح أن ترتفع أسعار الحجر الجيري مرة أخرى.

بعض القضايا في الحجر الجيري التعدين

غالبًا ما يتم استخراج الحجر الجيري من المحجر. ومع ذلك ، توجد مناجم الحجر الجيري تحت الأرض في أماكن في وسط وشرق الولايات المتحدة ، وخاصة في المدن وبالقرب منها. التعدين تحت الأرض من الحجر الجيري له بعض المزايا على محاجر السطح ومن المحتمل أن يزداد في المستقبل. تشمل الاهتمامات العامة النموذجية حول تعدين الحجر الجيري الغبار والضوضاء والاهتزازات الناتجة عن التفجير والشاحنات وحركة المرور الأخرى المرتبطة بعمليات المحاجر.

بعض الأحجار الجوفية هي أيضًا طبقات مياه جوفية ، أي أنها عبارة عن وحدات صخرية يمكن أن تنتج الماء للآبار. عندما يكون الحجر الجيري طبقة مياه جوفية ، يمكن أن يكون هناك مخاوف من أن الملوثات الناتجة عن عمليات المحاجر يمكن أن تهرب إلى المياه الجوفية.

في العديد من مناطق الولايات المتحدة حيث يوجد الحجر الجيري ، يذوب تدريجيا في مياه الأمطار على السطح أو في المياه الجوفية القريبة من السطح. في المناخات الرطبة ، تذوب كميات كبيرة من الحجر الجيري وتُحمل في الماء. هذا يخلق الكهوف ، وقد تتطور المجاري حيث تنهار أسقف الكهوف. في طبقات المياه الجوفية الكهربية الكهفية ، تنتقل الملوثات في المياه الجوفية بشكل أسرع بكثير من الأنواع الأخرى من الصخور ، لذلك تشكل المحاجر في هذه المناطق شواغل خاصة.

الحاجة إلى فهم مورد أساسي

الحجر الجيري هو من أهم مواردنا الأساسية. فهمنا لهذا المورد كمعدن صناعي ضعيف بالنظر إلى أهميته بالنسبة لاقتصادنا. نظرًا لأن الحجر الجيري يعتبر صخرة "شائعة" ، فقد كان نطاق البحوث الجيولوجية السابقة محدود النطاق. في الماضي ، ركزت معظم الأبحاث التي أجرتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) حول الحجر الجيري على رسم خرائط الرواسب ، وكذلك فهم أدوارها كطبقات المياه الجوفية وخزانات النفط. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى بيانات مختلفة لوصف الحجر الجيري مناسبة للبناء وغيرها من الصناعات. تحتاج صخور الكربونات إلى تلبية متطلبات النقاء الكيميائي التي تختلف حسب الاستخدام المقصود. تتطلب بعض الاستخدامات أن يحتوي الحجر الجيري أيضًا على بعض الخصائص الهندسية المواتية. معايير ومتطلبات استخدام الحجر الجيري آخذة في الارتفاع ، وهناك حاجة إلى فهم أكبر لخصائص الحجر الجيري ، والتباين ، والخصائص الهندسية.

الحجر الجيري هو من أهم مواردنا الأساسية. فهمنا لهذا المورد كمعدن صناعي ضعيف بالنظر إلى أهميته بالنسبة لاقتصادنا. نظرًا لأن الحجر الجيري يعتبر صخرة "شائعة" ، فقد كان نطاق البحوث الجيولوجية السابقة محدود النطاق. في الماضي ، ركزت معظم الأبحاث التي أجرتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) حول الحجر الجيري على رسم خرائط الرواسب ، بالإضافة إلى فهم أدوارها كطبقات مائية وخزانات البترول. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى بيانات مختلفة لوصف الحجر الجيري مناسبة للبناء وغيرها من الصناعات. تحتاج صخور الكربونات إلى تلبية متطلبات النقاء الكيميائي التي تختلف حسب الاستخدام المقصود. تتطلب بعض الاستخدامات أن يحتوي الحجر الجيري أيضًا على بعض الخصائص الهندسية المواتية. معايير ومتطلبات استخدام الحجر الجيري آخذة في الارتفاع ، وهناك حاجة إلى فهم أكبر لخصائص الحجر الجيري ، والتباين ، والخصائص الهندسية.

الاستهلاك الصناعي للولايات المتحدة من الحجر الجيري

سوف تؤثر كل من الحدود الجيولوجية والاقتصادية بالتأكيد على الإمدادات المستقبلية من الحجر الجيري. تستهلك الولايات المتحدة حاليًا ما بين 5 و 10٪ من الإنتاج العالمي للحجر الجيري الصناعي. في عام 2007 ، بلغ الإنتاج المحلي من الحجر الجيري الصناعي حوالي 1.3 مليار طن متري ، تقدر قيمتها بأكثر من 25 مليار دولار. في نفس العام ، استوردت الأمة حوالي 430،000 طن متري من منتجات الحجر الجيري والحجر الجيري الصناعية ، بقيمة حوالي 2.2 مليار دولار. معظم هذه الواردات كانت أسمنت بورتلاند.

تتطلب مواجهة التحدي المتمثل في توفير احتياجات الأمريكتين للسلع المعدنية الأساسية مثل الحجر الجيري الصناعي بيانات علمية دقيقة وغير متحيزة. يوفر العمل المستمر للعلماء في برنامج USGS Mineral Resources Program المعلومات الضرورية لوضع سياسات سليمة تساعد على ضمان الإمداد المستقبلي بالموارد المعدنية.