Contenuto
- Che cos'è il calcare?
- Come si forma il calcare?
- Formazione di dolomiti dal calcare
- Altri tipi di carbonato di roccia
- Rocce carbonate di estrazione mineraria
- Usi di calcare
- La carenza di cemento di Portland
- Fonti di calcare nel futuro
- Modelli di produzione di calcare
- Alcuni problemi nell'estrazione del calcare
- La necessità di comprendere una risorsa essenziale
- Consumo industriale statunitense di calcare
Prodotti realizzati con calcare: Il calcare è un prodotto minerale essenziale di importanza nazionale. Alcuni dei molti prodotti realizzati con il calcare sono mostrati in questa fotografia: cereali per la colazione, vernice, pillole di integratori di calcio, un piano in marmo, compresse antiacido, carta di alta qualità, granuli bianchi per coperture e cemento Portland. (Fotografia USGS; l'uso di nomi commerciali, di aziende o di prodotti è solo a scopo descrittivo e non implica l'approvazione da parte del governo degli Stati Uniti.)
Calcare dell'Indiana nell'Apex Building: Molti edifici nella capitale delle Nazioni sono ricoperti di pietra calcarea. L'Apex Building / Federal Trade Commission ha un esterno superiore di pietra calcarea dell'Indiana. (Fotografia USGS.)
Che cos'è il calcare?
"Calcare" indica qualsiasi roccia formata principalmente da carbonato di calcio (CaCO3), ma per i geologi il calcare è solo uno dei diversi tipi di "rocce carbonatiche". Queste rocce sono composte da oltre il 50% di minerali carbonatici, generalmente calcite minerale (CaCO puro3) o dolomite (carbonato di calcio e magnesio, CaMg2) o entrambi.
Come si forma il calcare?
La maggior parte delle rocce carbonatiche sono state depositate dall'acqua di mare. Queste rocce carbonatiche sedimentarie sono comuni in tutti i continenti e si sono formate attraverso la maggior parte della storia geologica; si stanno ancora formando oggi ai tropici come barriere coralline e in fondo a mari poco profondi.
Il calcare marino si forma perché l'acqua di mare ha alte concentrazioni di due sostanze chimiche disciolte chiave-calcio (Ca++) e bicarbonato (HCO3-) ioni. Nello strato vicino alla superficie della maggior parte degli oceani, i coralli, le vongole e altre creature che vivono nel mare usano queste due sostanze chimiche per creare gusci protettivi combinandoli per formare calcite o "aragonite", che ha la stessa composizione chimica della calcite ma ha un diversa forma di cristallo.
Sinkhole a Winter Park, Florida: Grandi volumi di calcare possono essere dissolti e portati via dalle acque superficiali e sotterranee. Questo crea grotte, come Carlsbad Caverns nel New Mexico (foto sotto). Nei climi umidi, la formazione di grotte è particolarmente comune e si possono sviluppare doline dove crollano i soffitti delle caverne. Una dolina di circa 240 piedi al livello del suolo si aprì nel 1981 a Winter Park, in Florida, quando il soffitto di una grotta calcarea sottostante crollò. La grotta e la dolina si trovano nella Cypresshead Formation, un'importante falda acquifera nella Florida centrale. Nelle falde acquifere calcaree cavernose, i contaminanti nelle acque sotterranee si muovono molto più velocemente rispetto ad altri tipi di rocce, quindi le cave in tali aree sono preoccupazioni speciali. (Fotografia USGS.)
Formazione di dolomiti dal calcare
Alcuni calcari sono stati modificati dall'introduzione del magnesio nelle acque sotterranee. Il magnesio nelle acque sotterranee può convertire una parte o tutta la calcite del calcare in dolomite. Inoltre, alcune rocce formate vicino alle rive degli antichi mari nei climi aridi erano per lo più dolomitiche al momento del loro deposito.
Grotta calcarea: Le stalattiti pendono dal soffitto e le stalagmiti si alzano dal pavimento di Carlsbad Caverns, New Mexico, all'interno di un calcare di 260 milioni di anni fa. (Fotografia del National Park Service.)
Altri tipi di carbonato di roccia
Il calcare è disponibile in molte varietà diverse. Il gesso è un calcare marino poroso a grana molto fine composto quasi interamente da fossili microscopici. Il travertino è un calcare sedimentario d'acqua dolce che ha strati molto sottili e merlati ed è comunemente formato a molle. Il marmo è una roccia carbonatica, di solito un calcare marino, che è stato schiacciato e deformato come la plastica da un grande calore e una pressione profonda sotto la superficie terrestre. Questo processo si chiama "metamorfismo". Ci sono anche rare rocce "ignee" di carbonato che si sono cristallizzate dal magma fuso allo stesso modo delle lava o dei graniti. Questi sono chiamati "carbonatiti" e questo tipo di roccia viene estratto in alcuni punti del mondo come calcare industriale.
Rocce carbonate di estrazione mineraria
I depositi di calcare sedimentario possono essere estesi, coprendo centinaia di miglia quadrate e possono essere relativamente uniformi in spessore e qualità. Pertanto, le cave di calcare possono essere grandi e di lunga durata, estraendo strati di calcare che possono avere uno spessore di centinaia di piedi su aree di diverse miglia quadrate. Molte cave producono più prodotti e le rocce frantumate che non sono abbastanza pure per determinati usi possono ancora essere adatte come aggregato stradale. Le cave di marmo possono anche essere molto grandi. Tuttavia, queste rocce che un tempo erano sistemate regolarmente sono state trasformate in corpi di forma irregolare che sono più difficili e costosi per il mio.
In gran parte degli Stati Uniti vi sono vasti depositi di calcare marino di varie epoche che vanno da poche migliaia a oltre 350 milioni di anni. Alcuni depositi hanno gradi chimici fino al 95% di CaCO3. Tuttavia, alcune aree sono completamente prive di depositi di calcare adeguati. Gran parte del costo del calcare per il cliente è determinato da quanto lontano viene e come viene spedito. La spedizione in chiatta in acqua è più economica rispetto al treno che, a sua volta, è più economico della spedizione in camion.
Usi di calcare
Il calcare ha molti usi industriali e può essere usato come estratto o trasformato in un'ampia varietà di prodotti. È la materia prima per una grande varietà di materiali edili, agricoli, ambientali e industriali.
Il calcare viene utilizzato nelle costruzioni quasi ovunque. Nel 2007, il calcare frantumato era il 68% di tutta la roccia frantumata prodotta negli Stati Uniti. Inoltre, il calcare è l'ingrediente chiave nella produzione di cemento Portland. Nonostante l'abbondanza di calcare delle nostre Nazioni, negli ultimi anni ci sono state carenze di cemento.
Alcuni dei più puri calcari naturali sono i marmi. Per secoli, il marmo è stato la pietra decorativa preferita negli edifici governativi e nelle statue pubbliche. Il travertino è anche usato come pietra dimensionale in piastrelle e tavoli. Alcuni calcari bianchi vengono semplicemente frantumati e setacciati per l'uso in giardini e coperture.
Il calcare in polvere viene utilizzato per rimuovere le impurità da metalli fusi come l'acciaio. Può anche rimuovere i composti tossici dallo scarico delle centrali elettriche a carbone. Il calcare viene utilizzato come riempitivo in una varietà di prodotti, tra cui carta, plastica e vernice. Il calcare più puro viene persino utilizzato in alimenti e medicinali come cereali per la colazione e pillole di calcio.
Il calcare è anche la materia prima per produrre calce (CaO) che viene utilizzata per trattare i suoli, purificare l'acqua e fondere il rame. La calce ha molti usi aggiuntivi nelle industrie chimiche.
Le Dolomiti sono generalmente meno adatte di altri calcari industriali per la maggior parte delle applicazioni. La maggior parte della dolomia che viene estratta viene semplicemente frantumata e setacciata per essere utilizzata come aggregato nel calcestruzzo o nell'asfalto.
La carenza di cemento di Portland
Il cemento Portland è uno dei prodotti più importanti a base di calcare. È essenziale in molte applicazioni di costruzione. Gli Stati Uniti non sono autosufficienti nel cemento e devono importarlo da altri paesi per compensare le carenze. Le importazioni di clinker (il prodotto del primo passo nella fabbricazione del cemento) e del cemento finito rappresentavano circa il 23% delle vendite totali di cemento negli Stati Uniti nel 2006. Negli anni precedenti al 2007, il cemento Portland era in scarsissima fornitura nella nazione. La concorrenza di altri paesi, un sistema di trasporto marittimo inadeguato e requisiti di spazio di carico sottostimati sono stati tra le cause.
Quando il cemento Portland scarseggiava, il suo prezzo aumentava significativamente. I consumatori hanno cercato sostituti. Hanno usato legno trattato a pressione, acciaio coibentato e polistirolo nei pannelli e hanno persino ridisegnato le basi degli edifici per ridurre la quantità di cemento necessaria. La carenza di cemento ha anche causato ritardi nella costruzione che hanno comportato un aumento dei costi per strade, ponti ed edifici.
Fonti di calcare nel futuro
La creazione di nuove cave di calcare e cementerie negli Stati Uniti è un processo lento e le carenze di approvvigionamento richiedono tempo per essere corrette. Sono necessari circa 2 anni per costruire un nuovo cementificio e il processo di autorizzazione può richiedere molto più tempo, dagli 8 ai 10 anni. Forse un problema ancora più difficile è che le persone potrebbero non accogliere nuove cave e impianti nella loro zona. Nonostante questi ostacoli, molte aziende di cemento statunitensi stanno espandendo e modernizzando le loro operazioni.
Quando un'area di roccia adatta e minabile viene inghiottita dalla crescita urbana o quando l'estrazione mineraria viene proibita dalla legislazione o dalla suddivisione in zone, il risultato viene chiamato "sterilizzazione delle risorse". Il calcare è un materiale di importanza nazionale e la sterilizzazione delle risorse può comportare un trasporto più lungo a un costo più elevato dalla cava al cliente.
Modelli di produzione di calcare
La maggior parte del calcare che viene estratto viene frantumato per aggregato. La maggior parte della produzione di pietrisco degli Stati Uniti proviene dal calcare per almeno gli ultimi 40 anni. Questo è vero anche se le rocce carbonatiche sono solo dal 25 al 35% delle rocce in superficie.
Le operazioni negli Stati Uniti di pietra frantumata sono in calo, con una perdita del 20% circa ogni decennio dal 1971. Tuttavia, dal 2001 al 2006, la produzione totale annua di calcare negli Stati Uniti è aumentata secondo i Riassunti delle materie prime degli US Geological Survey (USGS), quindi le dimensioni medie di un la cava sta aumentando. In altre parti del mondo, la nuova produzione proviene principalmente da alcune cave molto grandi. Nonostante l'aumento della produzione negli Stati Uniti, la nazione importava sempre di più i suoi prodotti in pietra calcarea fino alla recente flessione delle costruzioni. Queste importazioni provengono principalmente da Canada, Messico e Cina. Con un minor numero di cave, la distanza media di trasporto aumenterà e probabilmente i prezzi del calcare aumenteranno ancora una volta.
Alcuni problemi nell'estrazione del calcare
Il calcare viene spesso estratto da una cava. Tuttavia, le miniere sotterranee di calcare si trovano in luoghi negli Stati Uniti centrali e orientali, specialmente nelle città vicine. L'estrazione sotterranea di calcare presenta alcuni vantaggi rispetto all'estrazione superficiale e probabilmente aumenterà in futuro. Le preoccupazioni pubbliche tipiche dell'estrazione del calcare includono polvere, rumore, vibrazioni di brillamento e camion e altro traffico associato alle operazioni di cava.
Alcuni calcari sono anche falde acquifere, ovvero unità rocciose che possono fornire acqua ai pozzi. Laddove il calcare è una falda acquifera, ci possono essere preoccupazioni che i contaminanti delle operazioni di cava possano sfuggire nelle acque sotterranee.
In molte aree degli Stati Uniti dove si trova il calcare, si dissolve gradualmente nell'acqua piovana in superficie o nelle acque sotterranee vicine alla superficie. Nei climi umidi, grandi volumi di calcare si dissolvono e vengono portati via nell'acqua. Questo crea grotte e doline possono svilupparsi dove crollano i soffitti delle caverne. Nelle falde acquifere calcaree cavernose, i contaminanti nelle acque sotterranee si muovono molto più velocemente rispetto ad altri tipi di rocce, quindi le cave in tali aree sono preoccupazioni speciali.
La necessità di comprendere una risorsa essenziale
Il calcare è tra le risorse più essenziali delle nostre Nazioni. La nostra comprensione di quella risorsa come minerale industriale è scarsa data la sua importanza per la nostra economia. Poiché il calcare è stato considerato come una roccia "comune", la precedente ricerca geologica aveva una portata limitata. In passato, la maggior parte della ricerca USGS sul calcare si è concentrata sulla mappatura dei depositi, oltre a comprendere il loro ruolo di acquiferi e bacini petroliferi. Tuttavia, sono necessari dati diversi per caratterizzare il calcare adatto per l'edilizia e altri settori. Le rocce carbonatiche devono soddisfare requisiti di purezza chimica che variano a seconda dell'uso previsto. Alcuni usi richiedono che il calcare abbia anche alcune proprietà ingegneristiche favorevoli. Gli standard e i requisiti per l'uso del calcare sono in aumento ed è necessaria una maggiore comprensione delle caratteristiche del calcare, della variabilità e delle proprietà ingegneristiche.
Il calcare è tra le risorse più essenziali delle nostre Nazioni. La nostra comprensione di quella risorsa come minerale industriale è scarsa data la sua importanza per la nostra economia. Poiché il calcare è stato considerato come una roccia "comune", la precedente ricerca geologica aveva una portata limitata. In passato, la maggior parte della ricerca USGS sul calcare si è concentrata sulla mappatura dei depositi, oltre a comprendere il loro ruolo di acquiferi e bacini petroliferi. Tuttavia, sono necessari dati diversi per caratterizzare il calcare adatto per l'edilizia e altri settori. Le rocce carbonatiche devono soddisfare requisiti di purezza chimica che variano a seconda dell'uso previsto. Alcuni usi richiedono che il calcare abbia anche alcune proprietà ingegneristiche favorevoli. Gli standard e i requisiti per l'uso del calcare sono in aumento ed è necessaria una maggiore comprensione delle caratteristiche del calcare, della variabilità e delle proprietà ingegneristiche.
Consumo industriale statunitense di calcare
Entrambi i limiti geologici ed economici influenzeranno sicuramente le future forniture di calcare. Attualmente gli Stati Uniti consumano tra il 5 e il 10% della produzione globale di calcare industriale. Nel 2007, la produzione nazionale di calcare industriale è stata di circa 1,3 miliardi di tonnellate, per un valore di oltre $ 25 miliardi. Nello stesso anno, la Nazione ha importato circa 430.000 tonnellate di calcare industriale e prodotti calcarei, per un valore di circa $ 2,2 miliardi. La maggior parte di queste importazioni erano cemento Portland.
Per far fronte alla sfida di soddisfare le esigenze delle Americhe di materie prime minerali essenziali come il calcare industriale è necessario disporre di dati scientifici accurati e imparziali. Il lavoro in corso degli scienziati con il Programma risorse minerarie USGS fornisce le informazioni cruciali per la creazione di solide politiche che aiuteranno a garantire la fornitura futura di risorse minerarie.