אבן גיר: סלע המשקע הכימי של סידן קרבונט

תוֹכֶן

• מה זה אבן גיר?
• איך נוצר אבן גיר?
• גיבוש דולומיט מאבן גיר
• סוגים אחרים של סלע קרבונט
• כריית סלעי פחמן
• שימושים באבן גיר
• המחסור במלט פורטלנד
• מקורות אבן גיר בעתיד
• דפוסי ייצור אבן גיר
• כמה סוגיות בנושא כריית גיר
• הצורך להבין משאב חיוני
• צריכה אמריקאית של אבן גיר

מוצרים עשויים אבן גיר: אבן גיר היא מצרך מינרלי חיוני בעל חשיבות לאומית. כמה מהתוצרים הרבים המיוצרים באמצעות אבן גיר מוצגים בתצלום זה: דגני בוקר, צבע, כדורי תוסף סידן, שולחן שיש, טבליות נגד חומצות חומצה, נייר איכותי, גרגרי קירוי לבן ומלט פורטלנד. (צילום USGS; שימוש בשמות סחר, חברה או מוצר נועד למטרות תיאוריות בלבד ואיננו מרמז על אישור מצד ממשלת ארה"ב.)

אבן גיר באינדיאנה בבניין איפקס: מבנים רבים בבירת האומות מכוסים אבן גיר. לבניין אייפקס / נציבות הסחר הפדראלית יש חיצוני עליון של אבן גיר באינדיאנה. (צילום USGS.)

מה זה אבן גיר?

"אבן גיר" פירושה כל סלע שנוצר ברובו מסידן פחמתי (CaCO)₃), אך עבור הגיאולוגים, אבן גיר היא רק אחד מכמה סוגים של "סלעי פחמתי". סלעים אלה מורכבים ביותר מ- 50% מינרלים פחממתיים, בדרך כלל המינרלים קלציט (CaCO טהור₃) או דולומיט (סידן-מגנזיום קרבונט, CaMg₂) או שניהם.

איך נוצר אבן גיר?

מרבית הסלעים הפחמניים הופקעו ממי הים. סלעי קרבונט משקעים שכיחים בכל יבשת והם נוצרו לאורך רוב ההיסטוריה הגיאולוגית; הם עדיין מתגבשים כיום באזורים הטרופיים כשוניות אלמוגים וקרקעית הימים הרדודים.

אבן גיר ימנית נוצרת מכיוון שלמי ים יש ריכוזים גבוהים של שני כימיקלים מומסים מרכזיים - סידן (Ca⁺⁺) וביקרבונט (HCO_3-) יונים. בשכבה הקרובה לפני השטח של מרבית האוקיינוסים, אלמוגים, צדפות ויצורים אחרים השוכנים בים משתמשים בשני כימיקלים אלה בכדי לייצר קליפות הגנה על ידי שילובם ליצירת קלציט או "ארגון", שהוא אותו כימיקלים זהים לזה של קלציט אך יש לו צורת גביש שונה.

כיור בווינטר פארק, פלורידה: כמויות אדירות של אבן גיר ניתנות לפירוק ולהיסחפות על ידי מי שטח פנים ומי תהום. זה יוצר מערות, כמו מערות קרלסבד בניו מקסיקו (תמונה למטה). באקלים לח, היווצרות המערות שכיחה במיוחד, ויכולים להתפתח בולענים במקום בו תקרות המערה קורסות. בור טוב שנמצא כ -240 מטר ברמת הקרקע נפתח בשנת 1981 בפארק ווינטר, פלורידה, כשקרסתה של מערת גיר מתחת לאדמה. המערה והבורע נמצאים בתצורת הברוש, המהווה אקוויפר חשוב במרכז פלורידה. באקוויפרים של גיר גיריים, מזהמים במי תהום נעים הרבה יותר מהר מאשר בסוגים אחרים של סלעים, ולכן מחצבות באזורים כאלה מעוררות חששות. (צילום USGS.)

גיבוש דולומיט מאבן גיר

כמה אבני גיר השתנו על ידי החדרת מגנזיום במי תהום. מגנזיום במי תהום עשוי להמיר חלק מהקלציט באבן הגיר לדולומיט. כמו כן, כמה סלעים שנוצרו בסמוך לחופי הים הקדום באקלים צחיח היו ברובם דולומיט בעת הפקדתם.

מערת גיר: נטיפים תלויים מהתקרה, ונטיפים עולים מרצפת מערות קרלסבד, ניו מקסיקו, בתוך אבן גיר בת 260 מיליון שנה. (צילום שירות הפארק הלאומי.)

סוגים אחרים של סלע קרבונט

אבן גיר מגיעה בזנים רבים ושונים. גיר הוא אבן גיר ימית נקבובית מאוד דקה המורכבת כמעט כולה מאובנים מיקרוסקופיים. טרוורטין הוא אבן גיר משקעית למים מתוקים שיש לה שכבות דקיקות מאוד וקרניות ונוצרת בדרך כלל במעיינות. שיש הוא סלע פחמתי, בדרך כלל אבן גיר ימית, שנסחטה ועוותה כמו פלסטיק על ידי חום ולחץ רב עמוק מתחת לפני האדמה. תהליך זה נקרא "מטמורפיזם". ישנם גם סלעים קרבונטיים "דלקתיים" נדירים שהתגבשו מאגמה מותכת באותו אופן שיש לבהות או גרניטים. אלה נקראים "קרבונאטים", וסוג הסלע הזה ממושך בכמה מקומות בעולם כאבן גיר תעשייתית.

כריית סלעי פחמן

משקעי אבן גיר משקעים יכולים להיות נרחבים, לכסות מאות מיילים רבועים, ויכולים להיות אחידים יחסית בעובי ובאיכותם. לכן מחצבות אבן גיר יכולות להיות גדולות וארוכות חיים, ומכרות שכבות אבן גיר שיכולות להיות עובות מאות מטרים על פני שטחים של כמה מיילים רבועים. מחצבות רבות מייצרות מוצרים מרובים, וסלעים כתושים שאינם מספיק טהורים לשימושים מסוימים עשויים עדיין להתאים כמצטבר לכביש. מחצבות שיש יכולות להיות גם גדולות מאוד. עם זאת, סלעים אלה שהיו פעם במצעים באופן קבוע עברו מטמורפוזציה לגופים בעלי צורה לא סדירה שקשה יותר ויקר לשלי.

בחלקים נרחבים של ארצות הברית יש מרבצים נרחבים של אבן גיר ימיים בגילאים שונים מאלפים בודדים עד למעלה מ -350 מיליון שנה. בחלק מהמשקעים יש ציונים כימיים עד ל- 95% CaCO₃. עם זאת, אזורים מסוימים נמצאים לחלוטין ללא מרבצי גיר מתאימים. מרבית עלות אבן הגיר ללקוח נקבעת על פי המרחק ממנו הוא מגיע ואיך הוא נשלח. משלוח באמצעות דוברת על מים זול יותר מאשר ברכבת, אשר בתורו, הוא זול יותר מאשר משלוח במשאית.

שימושים באבן גיר

לגיר יש שימושים תעשייתיים רבים ויכולים לשמש כמכרות או מעובדים למגוון רחב של מוצרים. זהו חומר הגלם למגוון גדול של חומרי בנייה, חקלאות, סביבה ותעשייה.

אבן גיר משמשת בבנייה כמעט בכל מקום. בשנת 2007, גיר גירוש היה 68% מכל הסלע הכתוש המיוצר בארצות הברית. כמו כן, אבן גיר היא המרכיב העיקרי בייצור מלט פורטלנד. למרות שפע אבן הגיר של עמינו, היה מחסור במלט בשנים האחרונות.

חלק מהאבנים הטבעיות הטהורות ביותר הן גולות. במשך מאות שנים השיש היה האבן הקישוטית שבחרה בבנייני ממשלה ופסלים ציבוריים. טרוורטין משמש גם כאבן מימד באריחים ובשולחן השולחן. חלק מאבן גיר לבנה פשוט נמחצת וננפתת לשימוש בגינון ובגגות.

אבן גיר אבקתית משמשת להסרת זיהומים ממתכות מותכות כמו פלדה. זה יכול גם להסיר תרכובות רעילות מהפליטה של ​​תחנות כוח בוערות פחם. אבן גיר משמשת כמילוי במגוון מוצרים, כולל נייר, פלסטיק וצבע. אבן הגיר הטהורה ביותר משמשת אפילו במזונות ותרופות כמו דגני בוקר וכדורי סידן.

אבן גיר היא גם חומר הגלם לייצור סיד (CaO) המשמש לטיפול בקרקעות, טיהור מים ומריחת נחושת. לסיד שימושים רבים נוספים בתעשיות הכימיות.

דולומיטים בדרך כלל פחות מתאימים מאבני גיר תעשייתיות אחרות לרוב היישומים. רוב הדולומיט שנכרה נמעך ונמסט לשימוש כמצטבר בבטון או באספלט.

המחסור במלט פורטלנד

צמנט פורטלנד הוא אחד המוצרים החשובים ביותר העשויים מאבן גיר. זה חיוני ביישומי בנייה רבים. ארצות הברית אינה מספיקה במלט ועליה לייבא אותה ממדינות אחרות כדי לפצות על חסרונות. יבוא קלינקר (המוצר מהשלב הראשון בייצור מלט) ומלט מוגמר היוו כ 23% - מכלל מכירות המלט האמריקני בשנת 2006. בשנים שקדמו לשנת 2007, המלט של פורטלנד היה במחסור קשה במדינה. התחרות ממדינות אחרות, מערכת לא מספקת של הובלה ימית ודרישות שטח המטען לא העריכו היו בין הגורמים לכך.

כשמלט פורטלנד היה במחסור מאוד, מחירו עלה משמעותית. הצרכנים חיפשו תחליפים. הם השתמשו בעץ שטופלו בלחץ, פלדה מבודדת וקלקר בפנלים, ואף עיצבו מחדש כפות רגליים לבניין כדי להפחית את כמות המלט הדרושה. מחסור במלט גרם גם לעיכובים בבנייה שהביאו לעלייה בעלויות של כבישים, גשרים ומבנים.

מקורות אבן גיר בעתיד

הקמת מחצבות אבן גיר ומפעלים חדשים בארצות הברית היא תהליך איטי, ומחסור באספקה ​​דורש זמן לתקן. לוקח כשנתיים לבנות מפעל מלט חדש, ותהליך ההיתר יכול לארוך הרבה יותר זמן - 8 עד 10 שנים. אולי בעיה מאתגרת עוד יותר היא שאנשים לא עשויים לקבל בברכה מחצבות וצמחים חדשים לאזורם. למרות מכשולים אלה, חברות מלט אמריקאיות רבות נמצאות בתהליך הרחבה ומודרניזציה של פעילותן.

כאשר אזור של סלע מתאים וקטין נבלע על ידי צמיחה עירונית או כאשר הכרייה נאסרת על ידי חקיקה או יעוד, התוצאה מכונה "עיקור משאבים". אבן גיר היא חומר בעל חשיבות לאומית, וסטריליזציה של משאבים עלולה לגרום לביצוע ארוך יותר בעלות גבוהה יותר ממחצבה ללקוח.

דפוסי ייצור אבן גיר

מרבית אבן הגיר שנכרתה נמחצת לצורך צבירה. רוב הייצור האמריקאי של אבן כתוש הגיע מאבן גיר לפחות במשך 40 השנים האחרונות. זה נכון למרות שסלעי קרבונט הם רק 25 עד 35% מהסלעים שעל פני השטח.

פעולות האבן המרוסקות בארה"ב פחתו במספרם, הפסד של כ -20% בעשור מאז 1971. עם זאת, משנת 2001 עד 2006, גידול הייצור השנתי של אבן גיר בארה"ב על פי סיכומי הסחורות המינרליות של ארה"ב (USGS), כך שהגודל הממוצע של המחצבה הולכת וגוברת. באזורים אחרים בעולם, הייצור החדש מגיע בעיקר מכמה מחצבות גדולות מאוד. למרות הגידול בייצור בארה"ב, האומה ייבאה יותר ויותר ממוצרי גיר שלה עד לירידה האחרונה בבנייה. יבוא זה מגיע בעיקר מקנדה, מקסיקו וסין. עם פחות מחצבות, המרחק לטיול הממוצע יגדל, ומחירי אבן גיר ככל הנראה יעלו פעם נוספת.

כמה סוגיות בנושא כריית גיר

אבן גיר ממוקשת לרוב ממחצבה. עם זאת, מוקשי אבן גיר תת-קרקעיים נמצאים במקומות במרכז ומזרח ארצות הברית, בעיקר בערים ובסמוך לה. לכרייה תת-קרקעית של אבן גיר יש כמה יתרונות על פני חציבת פני השטח וככל הנראה יגדל בעתיד. חששות ציבוריים אופייניים מכריית גיר כוללים אבק, רעש, פיצוץ רעידות ותעבורה ותעבורה אחרת הקשורה בפעילות מחצבה.

כמה אבני גיר הן גם אקוויפרים, כלומר מדובר ביחידות סלע שיכולות להניב מים לבארות. במקום בו אבן גיר היא אקוויפר, יכולים להיות חששות כי מזהמים מפעולות החציבה עלולים להימלט למי התהום.

באזורים רבים בארצות הברית בהם נמצא אבן גיר היא מתמוססת בהדרגה במי גשם לפני השטח או במי התהום הקרובים לפני השטח. באקלים לח, נפחים גדולים של אבן גיר מתמוססים ונסחפים במים. זה יוצר מערות ובולענים עשויים להתפתח במקום בו תקרות המערה קורסות. באקוויפרים של גיר גיריים, מזהמים במי תהום נעים הרבה יותר מהר מאשר בסוגים אחרים של סלעים, ולכן מחצבות באזורים כאלה מעוררות חששות.

הצורך להבין משאב חיוני

אבן גיר היא בין המשאבים החיוניים ביותר לאומות שלנו. ההבנה שלנו של המשאב הזה כמינרל תעשייתי גרועה בהתחשב בחשיבותו לכלכלה שלנו. מאחר ואבן גיר נחשבה לסלע "נפוץ", מחקר גיאולוגי קודם היה מוגבל בהיקפו. בעבר, מרבית מחקרי ה- USGS בנושא אבן גיר התמקדו במיפוי מרבצים, כמו גם בהבנת תפקידיהם כאקוויפרים ומאגרי נפט. עם זאת, יש צורך בנתונים שונים כדי לאפיין אבן גיר המתאימה לתעשיות בנייה ותעשיות אחרות. סלעי הפחמן צריכים לעמוד בדרישות טוהר כימיות שמשתנות בהתאם לשימוש המיועד. שימושים מסוימים דורשים כי לגיר יש גם תכונות הנדסיות חיוביות. התקנים והדרישות לשימוש באבן גיר עולים, ונדרשת הבנה רבה יותר של מאפייני אבן גיר, שונות, ותכונות הנדסיות.

אבן גיר היא בין המשאבים החיוניים ביותר לאומות שלנו. ההבנה שלנו של המשאב הזה כמינרל תעשייתי גרועה בהתחשב בחשיבותו לכלכלה שלנו. מאחר ואבן גיר נחשבה לסלע "נפוץ", מחקר גיאולוגי קודם היה מוגבל בהיקפו. בעבר, מרבית מחקרי ה- USGS בנושא אבן גיר התמקדו במיפוי מרבצים, כמו גם בהבנת תפקידיהם כאקוויפרים ומאגרי נפט. עם זאת, יש צורך בנתונים שונים כדי לאפיין אבן גיר המתאימה לתעשיות בנייה ותעשיות אחרות. סלעי הפחמן צריכים לעמוד בדרישות טוהר כימיות שמשתנות בהתאם לשימוש המיועד. שימושים מסוימים דורשים כי לגיר יש גם תכונות הנדסיות חיוביות. התקנים והדרישות לשימוש באבן גיר עולים, ונדרשת הבנה רבה יותר של מאפייני אבן גיר, שונות, ותכונות הנדסיות.

צריכה אמריקאית של אבן גיר

גבולות גיאולוגיים וגם כלכליים בהחלט ישפיעו על אספקת גיר בעתיד. ארצות הברית צורכת כיום בין 5 ל -10% מהייצור העולמי של אבן גיר תעשייתית. בשנת 2007 הייצור המקומי של אבן גיר תעשייתית היה כ -1.3 מיליארד טון מטרי, ששוויו היה למעלה מ -25 מיליארד דולר. באותה שנה ייבאה האומה כ -430,000 טונות של מוצרי גיר ואבן גיר תעשייתיים, ששווים כ -2.2 מיליארד דולר. מרבית היבוא הללו היה מלט פורטלנד.

עמידה באתגר של אספקת צרכי אמריקה עבור מצרכים מינרליים חיוניים כמו אבן גיר תעשייתית דורשת נתונים מדעיים מדויקים וחסרי משוא. עבודתם המתמשכת של מדענים עם תכנית המשאבים המינרליים של USGS מספקת את המידע החיוני ליצירת מדיניות תקינה שתסייע להבטיח אספקה ​​עתידית של משאבים מינרליים.