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石灰岩：一种重要的工业原料和建筑材料

已有 15570 次阅读 2011-1-13 11:34 |个人分类:科普翻译|系统分类:科普集锦| 地球, 资源, 地质, 矿产, 石灰岩

By James D. Bliss, Timothy S. Hayes, and Greta J. Orris, USGS

Republished from USGS fact sheet 2008-3089

编译：马志飞

石灰岩，是主要由碳酸钙（CaCO₃）组成的岩石。虽然在美国各地的石灰岩几乎都一样，但在有些地方还是严重短缺。石灰岩被用于生产波特兰水泥(即普通水泥)，作为混凝土和沥青的骨料，以及生产其他一系列产品，真可谓是一种真正的多功能产品。波特兰水泥在建筑行业中必不可少，尽管美国的石灰石很丰富，但近年来已经出现了水泥短缺，这就需要寻找新的领域进行采石作业。

石灰岩是什么？

“石灰岩”是指主要由碳酸钙（CaCO₃）组成的任何岩石，但是对地质学家来讲，石灰岩只是诸多“碳酸盐岩”的一种。这种岩石是由超过50%的碳酸盐矿物组成，这些碳酸盐矿物一般是方解石（纯碳酸钙）或白云岩（钙镁碳酸盐）或二者兼而有之。

大多数碳酸盐岩是从海水中沉积下来的。这些沉积碳酸盐岩在每个大陆上几乎都一样，而且在漫长的地质历史时期中一直在不断形成，直至今日，它仍像珊瑚礁一样在热带地区和浅海底部形成。海洋石灰石之所以能够形成，是由于海水具有两样高浓度的溶解物质：钙离子和碳酸氢根离子。在大多数海洋的表层，珊瑚、蛤和其他一些海洋栖息生物都使用这两种溶解物合成方解石或文石，从而制造身上的保护壳。文石又称“霰石”，成分也是碳酸钙，常含锶、铅、镁、铁等，与方解石为同质二象。主要形成于外生作用，产于近代海底沉积或粘土中，也可形成于内生作用，是一种低温矿物，产于温泉沉积物中及火山岩的裂隙和气孔中，也有生物成因的，产于某些贝壳中。

由于地下水中镁的介入，有些石灰岩可能会发生变化。地下水中的镁能够将石灰岩中的一部分甚至全部方解石转化为白云石。此外，在干旱气候条件下的古代海洋岸边沉积形成的岩石大部分也都是白云石。

石灰岩有多个不同的种类。钙华是淡水沉积物，一般形成于温泉中；大理岩是一种变质岩，原本通常是海洋沉积物而成，在地球表层深处由于受到高温高压的作用已经被挤压变形，该过程为“变质作用”。还有一些罕见的“火成岩”的石灰岩，它是像熔岩和花岗岩一样由熔融岩浆结晶而成的，被称为“碳酸岩”，这种岩石只在世界上的几个地方作为工业矿产来开采。

沉积灰岩矿床能够范围很大，达到数百平方英里，而且厚度和质量均一。因此，石灰岩采石场可以非常大，也可以长期开采，一般能够在数百平方英里的广大范围内开采数百英尺厚。许多采石场都生产多种产品，即使是对于某些特殊用途而言纯度不够的石灰岩也可以用来做铺路的石料。大理石的采石场也非常大，但是，如果规则的大理石矿床一旦变成了不规则的矿体，开采起来就非常困难，成本也要高出许多。

在美国，大部分国土上都分布有广阔的石灰岩矿床，形成时代从几万年至3.5亿年不等。某些矿床中的碳酸钙含量高达95%以上，当然，也有一些地方没有任何石灰岩矿。对于消费者来讲，石灰岩的价格主要取决于它们是从哪里采来的、如何运输的，船运比火车便宜，火车运输又比卡车运输便宜。

石灰岩的使用

石灰岩有许多工业用途，可以开采出来之后直接利用或加工成多种产品。它是建筑、农业、环境和工业材料的原料。

石灰岩在建筑领域几乎无处不在。2007年，在美国碎石产量中，石灰岩碎石就占了68%。此外，石灰岩还是制造普通水泥的主要成分。尽管美国拥有丰富的石灰石，但近年来还是出现了短缺现象。

一些自然产出的最纯的石灰岩就是大理石。几个世纪以来，大理石一直都是政府建筑物及公共雕像装饰石材的选择。钙华也被用来做瓷砖和桌台的规格石料。一些白色的石灰岩就简单地粉碎一下，用于房屋装修等。

石灰石粉被用于从熔融金属如钢铁中去除杂质。它也可以在燃煤火力发电场中用于清除废气的有毒化合物。除此之外，石灰岩还常用纸张、塑料和油漆的生产领域。最纯净的石灰石甚至还能用于制造食品和药品，如早餐燕麦片和钙片等。

石灰岩也是生产石灰（氧化钙）的原料，石灰通常用于调节土壤、净化水质及铜的冶炼，目前已经在化工行业应用广泛。

相比较而言，白云岩的应用范围就小一些，大多数开采出来的白云岩只是简单地粉碎，然后用作混凝土或沥青的骨料。

普通水泥的短缺

普通水泥是由石灰石制成的最重要的产品之一。它在建筑领域的应用至关重要。美国生产的水泥尚不能自足，为了弥补空缺，需要从别的国家大量进口。2006年。美国进口的孰料（生产水泥第一步的产品）和成品水泥占到了美国水泥总量的23%。截至到2007年的前几年时间里，美国的普通水泥供应严重短缺。当然，这里面还有一些原因，比如海洋交通运输系统的不足等。

正是由于水泥供应短缺，其价格大幅增长。消费者开始寻找替代品。他们使用经加压处理的木材、绝缘钢和聚苯乙烯，甚至重新设计建筑以减少所需的水泥用量。水泥短缺还导致了工程延误，接着就造成了道路、桥梁和其他建筑的成本增加。

未来的石灰岩资源

在美国建立新的石灰岩采石场和水泥厂是一个缓慢的过程，以及供应短缺需要时间来纠正。建立一个新的水泥大约需要两年的时间，而且审批过程可能需要更长的时间——8到10年。也许还有一个更具挑战性的问题：人们可能不欢迎新的采石场和水泥厂建在他们生活的地区。尽管存在这些障碍，许多美国水泥企业正在扩大他们的厂子，并加快其生产工业的现代化进程。当一个合适的石灰岩矿被城市化发展吞噬或被当地立法或规划禁止，其结果就是所谓的“资源萎缩”（resource sterilization，没有找到正式的翻译说法，姑且这么理解吧）。石灰岩是关系国家发展的重要原材料，如此一来，石灰岩逐渐远离市区，造成了运输成本的升高，直接受害的就是消费者。

石灰岩的开采生产模式

大部分被开采的石灰岩都是被粉碎用作混凝土或水泥的骨料。在过去最近的40年里，美国碎石的产量大多数都来自石灰岩。这是千真万确的，即使碳酸盐岩只占其地表岩石的25%至35％。

自1971年以来，美国碎石的生产量逐年递减，几乎是每十年减少20%。然而，据美国地质调查局（USGS）公布的数据，从2001年到2006年，美国石灰岩的产量在增加，所以这表明采石场的平均规模越来越大。在世界其他地区，新增加的产量主要来自于几个非常大的采石场。尽管美国石灰岩的产量增加了，但该国依然在越来越多地进口，直到最近建筑业陷入低谷时期。进口的石灰岩主要来源于加拿大、墨西哥和中国。由于采石场不多，平均运输距离增加了，其价格也将可能逐渐升高。

石灰岩开采中的几个问题

石灰岩最常见的开采方式都是采石场露天开采。当然，也有地下开采方式，如美国中部和东部的某些地方就有地下矿场，特别是在城市及其附近。与地表露天开采相比，地下采石场具有一些优势，而且在未来还可能会进一步发展。石灰石矿山典型的公共问题包括粉尘，噪声，爆破振动，卡车和其他与采石场业务有关的交通问题等。

还有一些石灰岩层是含水层，也就是说，它们是可以产出地下水的岩层单位。当石灰岩层为含水层时,人来的开采活动产生的污染物就可能会进入地下水中。

在美国许多地方被发现存在石灰岩的地区，很容易被雨水或地下水侵蚀。在潮湿气候条件下，大量的石灰石被溶解然后被水携带冲走。其结果是，在地下形成溶洞，然后会在地表塌陷。在溶洞发育的石灰岩层，含有污染物的地下水流动速度更快，所以，这是采石场特别关注的问题。

需要了解的基本资源

石灰石是美国最重要的资源之一。按照我们先前的理解，它只是一种工业矿产，这其是贬低了它对我们经济发展的重要性。由于石灰岩被认为是一种“普通”岩石，所以早期的地质研究范围是有限的。在过去，美国地质调查局对石灰岩的大多数研究都集中勘探其矿床分布，以及它在含水层和油气藏中的作用。然而，现在的建筑行业和其他工业领域需要石灰岩的其他不同的数据。根据不同的用途要求,碳酸盐岩需要达到化学纯度的要求。某些用途还需要石灰岩也具备一些良好的工程性质。对石灰岩利用的标准和要求在不断提高，所以对其性质、变异性及工程性质等也就需要更多的了解。

在美国，有些石灰岩还不适宜于开采利用，比如阿拉斯加，从市场角度来看，由于运输距离遥远，成本太高，但从长远来看，这可能是未来的重要资源。

美国工业消耗的石灰岩

由于受到地质和经济两方面的限制，未来的石灰岩供应肯定会受到影响。目前，美国在消耗全球石灰岩工业产品的5%到10%。2007年，美国石灰岩工业产品的国内产量大约是13亿吨，价值超过250亿美元。同年，该国进口了大约43万吨石灰岩和石灰岩的工业产品，价值约22亿美元。这些进口产品中大部分是普通水泥。

为了迎接美国对工业石灰石之类的重要矿业产品的需求所带来的挑战，这需要更加准确和客观公正的科学数据。因此，美国地质调查局矿产资源规划部门的科学家正在为建立健全的政策提供重要信息，这将有助于确保未来矿产资源的供应。