Известняк ( карбонат кальция CaCO 3 ) представляет собой разновидность карбонатной осадочной породы , которая является основным источником материальной извести . Он состоит в основном из минералов кальцита и арагонита , которые представляют собой различные кристаллические формы CaCO 3 . Известняк образуется, когда эти минералы выпадают в осадок из воды, содержащей растворенный кальций. Это может происходить как посредством биологических, так и небиологических процессов, хотя биологические процессы, такие как накопление кораллов и ракушек в море, вероятно, были более важными в течение последних 540 миллионов лет. [1] [2] Известняк часто содержит окаменелости , которые предоставляют ученым информацию о древней окружающей среде и об эволюции жизни. [3]
Около 20–25% осадочных пород составляют карбонатные породы, и большая часть из них — известняк. [4] [3] Оставшаяся карбонатная порода в основном представляет собой доломит , близкородственную породу, которая содержит высокий процент минерального доломита CaMg (CO 3 ) 2 . Магнезиальный известняк — устаревший и плохо определенный термин, используемый по-разному для доломита, для известняка, содержащего значительное количество доломита ( доломитовый известняк ), или для любого другого известняка, содержащего значительный процент магния . [5] Большая часть известняка образовалась в мелководных морских средах, таких как континентальные шельфы или платформы , хотя меньшие количества образовались во многих других средах. Большая часть доломита представляет собой вторичный доломит, образовавшийся в результате химического изменения известняка. [6] [7] Известняк обнажен на больших участках поверхности Земли, и поскольку известняк слабо растворим в дождевой воде, эти обнажения часто подвергаются эрозии, превращаясь в карстовые ландшафты. Большинство пещерных систем расположены в известняковых породах.
Известняк имеет множество применений: в качестве химического сырья для производства извести , используемой для цемента (важного компонента бетона ), в качестве заполнителя для основания дорог, в качестве белого пигмента или наполнителя в таких продуктах, как зубная паста или краски , в качестве кондиционера почвы. и как популярное декоративное дополнение альпинариев . Известняковые формации содержат около 30% мировых запасов нефти . [3]
Известняк состоит в основном из минералов кальцита и арагонита , которые представляют собой различные кристаллические формы карбоната кальция ( CaCO 3 ). Доломит CaMg(CO 3 ) 2 является редким минералом в известняке, а сидерит или другие карбонатные минералы встречаются редко. Однако кальцит в известняке часто содержит несколько процентов магния . Кальцит в известняке разделяют на низкомагниевый и высокомагниевый, при этом разделительная линия располагается по составу 4% магния. Кальцит с высоким содержанием магния сохраняет минеральную структуру кальцита, отличную от доломита. Арагонит обычно не содержит значительного количества магния. [8] В остальном большая часть известняка химически довольно чиста, с обломочными отложениями (в основном мелкозернистым кварцем и глинистыми минералами ), составляющими менее 5% [9] до 10% [10] состава. Органическое вещество обычно составляет около 0,2% известняка и редко превышает 1%. [11]
Известняк часто содержит переменное количество кремнезема в виде кремнистых или кремнистых скелетных фрагментов (таких как спикулы губок , диатомеи или радиолярии ). [12] Окаменелости также распространены в известняке. [3]
Известняк обычно имеет цвет от белого до серого. Известняк, необычайно богатый органическими веществами, может быть почти черного цвета, а следы железа или марганца могут придавать известняку цвет от не совсем белого до желтого или красного. Плотность известняка зависит от его пористости, которая колеблется от 0,1% у самого плотного известняка до 40% у мела. Плотность соответственно составляет от 1,5 до 2,7 г/см 3 . Хотя плотный известняк относительно мягкий, с твердостью по шкале Мооса от 2 до 4, он может иметь прочность на раздавливание до 180 МПа . [13] Для сравнения: бетон обычно имеет прочность на раздавливание около 40 МПа. [14]
Хотя известняки мало различаются по минеральному составу, они демонстрируют большое разнообразие текстуры. [15] Однако большая часть известняка состоит из зерен размером с песок в матрице карбонатного грязи. Поскольку известняки часто имеют биологическое происхождение и обычно состоят из отложений, отлагающихся вблизи места их образования, классификация известняков обычно основана на их типе зерна и содержании ила. [9]
Большинство зерен известняка представляют собой фрагменты скелетов морских организмов, таких как кораллы или фораминиферы . [16] Эти организмы выделяют структуры из арагонита или кальцита и оставляют эти структуры после смерти. Другими карбонатными зернами, слагающими известняки, являются ооиды , пелоиды и известняки ( интракласты и экстракласты ). [17]
Скелетные зерна имеют состав, отражающий организмы, которые их произвели, и среду, в которой они были произведены. [18] Скелетные зерна кальцита с низким содержанием магния типичны для членистоногих брахиопод , планктонных (свободно плавающих) фораминифер и кокколитов . Скелетные зерна кальцита с высоким содержанием магния типичны для донных (донных) фораминифер, иглокожих и кораллиновых водорослей . Скелетные зерна арагонита типичны для моллюсков , известковых зеленых водорослей , строматопороидов , кораллов и трубчатых червей . Скелетные зерна также отражают определенные геологические периоды и условия. Например, коралловые зерна чаще встречаются в средах с высокой энергией (характеризуются сильными течениями и турбулентностью), тогда как зерна мшанок чаще встречаются в средах с низкой энергией (характеризуются спокойной водой). [19]
Ооиды (иногда называемые оолитами) представляют собой зерна размером с песок (менее 2 мм в диаметре), состоящие из одного или нескольких слоев кальцита или арагонита вокруг центрального зерна кварца или фрагмента карбонатного минерала. Вероятно, они образуются в результате прямого осаждения карбоната кальция на ооиде. Пизолиты похожи на ооиды, но имеют диаметр более 2 мм и имеют тенденцию иметь более неправильную форму. Известняк, состоящий в основном из ооидов, называется оолитом или иногда оолитовым известняком . Ооиды образуются в высокоэнергетических средах, таких как Багамская платформа, а оолиты обычно демонстрируют перекрёстность слоев и другие особенности, связанные с отложением в сильных течениях. [20] [21]
Онколиты напоминают ооиды, но имеют радиальную, а не слоистую внутреннюю структуру, что указывает на то, что они образовались водорослями в нормальной морской среде. [20]
Пелоиды представляют собой бесструктурные зерна микрокристаллического карбоната, вероятно, образовавшиеся в результате различных процессов. [22] Многие из них считаются фекальными гранулами, производимыми морскими организмами. Другие могут продуцироваться эндолитными (сверлящими) водорослями [23] или другими микроорганизмами [24] или в результате разрушения раковин моллюсков. [25] Их трудно увидеть в образце известняка, за исключением тонкого среза, и они менее распространены в древних известняках, возможно, потому, что уплотнение карбонатных отложений разрушает их. [23]
Известняки представляют собой фрагменты существующих известняков или частично литифицированных карбонатных отложений. Интракласты - это известняки, которые возникают недалеко от того места, где они отлагаются в известняке, тогда как экстракласты происходят за пределами области отложения. Интракласты включают виноградный камень , который представляет собой скопления пелоидов, сцементированных органическим материалом или минеральным цементом. Экстракласты встречаются редко, обычно сопровождаются другими обломочными отложениями и указывают на отложение в тектонически активной области или как часть мутного потока . [26]
Зерна большинства известняков заключены в матрице карбонатных илов. Обычно это самая крупная фракция древней карбонатной породы. [23] Грязь, состоящая из отдельных кристаллов длиной менее 5 мкм (0,20 мил), называется микритом . [27] В свежем карбонатном иле микрит представляет собой в основном небольшие иглы арагонита, которые могут осаждаться непосредственно из морской воды, [28] выделяться водорослями, [29] или образовываться в результате истирания зерен карбоната в высокоэнергетической среде. [30] Он преобразуется в кальцит в течение нескольких миллионов лет после отложения. Дальнейшая рекристаллизация микрита дает микрошпат с зернами от 5 до 15 мкм (от 0,20 до 0,59 мил) в диаметре. [28]
Известняк часто содержит более крупные кристаллы кальцита размером от 0,02 до 0,1 мм (от 0,79 до 3,94 мил), которые описываются как спаритовый кальцит или спарит . Спарит отличается от микрита размером зерен более 20 мкм (0,79 мил), а также тем, что спарит выделяется под ручной линзой или в тонком срезе в виде белых или прозрачных кристаллов. Спарит отличается от зерен карбоната отсутствием внутренней структуры и характерной кристаллической формой. [31]
Геологи стараются различать спарит, отложившийся в виде цемента, и спарит, образовавшийся в результате перекристаллизации зерен микрита или карбоната. Спаритовый цемент, вероятно, откладывался в поровом пространстве между зернами, что указывает на высокоэнергетическую среду отложения, удаляющую карбонатный ил. Рекристаллизованный спарит не является диагностическим признаком условий осадконакопления. [31]
Обнажения известняка распознаются в полевых условиях по их мягкости (и кальцит, и арагонит имеют твердость по шкале Мооса менее 4, что значительно ниже обычных силикатных минералов), а также по тому, что известняк сильно пузырится, когда на него капают разбавленной соляной кислотой . Доломит также мягок, но слабо реагирует с разбавленной соляной кислотой и обычно при выветривании приобретает характерный тусклый желто-коричневый цвет из-за присутствия двухвалентного железа. Он высвобождается и окисляется по мере выветривания доломита. [9] Примеси (такие как глина , песок, органические остатки, оксид железа и другие материалы) приводят к тому, что известняк приобретает разные цвета, особенно на выветрившихся поверхностях.
Состав обнажения карбонатной породы можно оценить в полевых условиях, протравив поверхность разбавленной соляной кислотой. При этом кальцит и арагонит вытравливаются, оставляя после себя зерна кремнезема или доломита. Последние можно отличить по ромбоэдрической форме. [9]
Кристаллы кальцита, кварца , доломита или барита могут выстилать небольшие полости ( каверны ) в породе. Пустоты представляют собой форму вторичной пористости, образовавшейся в существующем известняке в результате изменения окружающей среды, которое увеличивает растворимость кальцита. [32]
Плотный массивный известняк иногда называют «мрамором». Например, знаменитый итальянский «мрамор» Порторо на самом деле представляет собой плотный черный известняк. [33] Настоящий мрамор производится путем перекристаллизации известняка во время регионального метаморфизма , который сопровождает процесс горообразования ( орогения ). Он отличается от плотного известняка своей грубокристаллической текстурой и образованием характерных минералов из кремнезема и глины, присутствующих в исходном известняке. [34]
Две основные классификационные схемы, Фолк и Данэм, используются для определения типов карбонатных пород, известных под общим названием известняк.
Роберт Л. Фолк разработал систему классификации, в которой основное внимание уделяется детальному составу зерен и интерстициального материала в карбонатных породах . [35] По составу выделяют три основных компонента: аллохимы (зерна), матрица (в основном микрит) и цемент (спарит). Народная система использует имена, состоящие из двух частей; первое относится к зернам, а второе к цементу. Например, известняк, состоящий в основном из ооидов с кристаллической матрицей, будет называться ооспаритом. При использовании схемы Фолка полезно иметь петрографический микроскоп , поскольку так легче определить компоненты, присутствующие в каждом образце. [36]
Роберт Дж. Данэм опубликовал свою систему для известняка в 1962 году. Она сосредоточена на структуре осадконакопления карбонатных пород. Данхэм делит породы на четыре основные группы на основе относительных пропорций более крупных обломочных частиц, на основе таких критериев, как то, находились ли зерна изначально во взаимном контакте и, следовательно, самоподдерживающиеся, или же для породы характерно наличие каркасных структур и водорослевые коврики. В отличие от схемы Фолка, схема Данэма имеет дело с исходной пористостью породы. Схема Данэма более полезна для ручных образцов, поскольку она основана на текстуре, а не на зернистости образца. [37]
Пересмотренная классификация была предложена Райтом (1992). Это добавляет в схему классификации некоторые диагенетические закономерности. [38]
Травертин — это термин, применяемый к отложениям карбоната кальция, образовавшимся в пресноводной среде, особенно в водопадах , каскадах и горячих источниках . Такие отложения обычно массивные, плотные и полосчатые. Когда отложения очень пористые и имеют губчатую текстуру, их обычно называют туфом . Вторичный кальцит, отложенный перенасыщенными метеорными водами ( грунтовыми водами ) в пещерах, также иногда называют травертином. В результате образуются образования , такие как сталагмиты и сталактиты . [39]
Ракушечник — это плохо консолидированный известняк, состоящий из истертых кусков кораллов , ракушек и других ископаемых остатков. Когда он лучше консолидируется, его называют кокинитом . [40]
Мел — это мягкий, землистый, мелкозернистый известняк, состоящий из раковин планктонных микроорганизмов, таких как фораминиферы, а мергель — землистая смесь карбонатов и силикатных отложений. [40]
Известняк образуется, когда кальцит или арагонит выпадают из воды, содержащей растворенный кальций, что может происходить как в результате биологических, так и небиологических процессов. [41] Растворимость карбоната кальция ( CaCO 3 ) в основном контролируется количеством растворенного диоксида углерода ( CO 2 ) в воде. Это суммировано в реакции:
Повышение температуры или понижение давления имеют тенденцию к уменьшению количества растворенного CO 2 и осаждению CaCO 3 . Снижение солености также снижает растворимость CaCO 3 на несколько порядков в пресной воде по сравнению с морской водой. [42]
Приповерхностные воды земного океана перенасыщены СаСО 3 более чем в шесть раз. [43] Неспособность CaCO 3 быстро осаждаться из этих вод, вероятно, связана с вмешательством растворенных ионов магния в зародышеобразование кристаллов кальцита, необходимый первый шаг в осаждении. Осаждение арагонита можно подавить присутствием в воде природных органических фосфатов. Хотя ооиды, вероятно, образуются в результате чисто неорганических процессов, основная часть осадков CaCO 3 в океанах является результатом биологической активности. [44] Большая часть этого происходит на карбонатных платформах .
Происхождение карбонатных грязей [30] и процессы их превращения в микрит [45] продолжают оставаться предметом исследований. Современный карбонатный грязь состоит в основном из игл арагонита длиной около 5 мкм (0,20 мил). Иглы такой формы и состава производятся известковыми водорослями, такими как Penicillus , что делает их вероятным источником грязи. [46] Другая возможность — прямое осаждение из воды. На мелководье возникает явление, известное как путассу , при котором на поверхности воды появляются белые полосы, содержащие рассеянный микрит. Неизвестно, является ли это свежевыпавшим арагонитом или просто материалом, поднятым со дна, но есть некоторые свидетельства того, что путассу возникают в результате биологического осаждения арагонита в результате цветения цианобактерий или микроводорослей . [47] Однако соотношение стабильных изотопов в современных карбонатных буровых растворах, по-видимому, несовместимо ни с одним из этих механизмов, и в качестве третьей возможности было выдвинуто истирание зерен карбоната в высокоэнергетических средах. [30]
В формировании известняка, вероятно, преобладали биологические процессы на протяжении фанерозоя , последних 540 миллионов лет истории Земли. Известняк, возможно, был отложен микроорганизмами в докембрии до 540 миллионов лет назад, но неорганические процессы, вероятно, были более важными и, вероятно, происходили в океане, более перенасыщенном карбонатом кальция, чем современный океан. [48]
Диагенез – это процесс, при котором осадки уплотняются и превращаются в твердую породу . В ходе диагенеза карбонатных осадков происходят значительные химические и текстурные изменения. Например, арагонит превращается в низкомагниевый кальцит. Диагенез — вероятное происхождение пизолитов , концентрически слоистых частиц диаметром от 1 до 10 мм (от 0,039 до 0,394 дюйма), обнаруженных в некоторых известняках. Пизолиты внешне напоминают ооиды, но не имеют ядра инородного вещества, плотно прилегают друг к другу и имеют другие признаки того, что они образовались после первоначального отложения отложений. [49]
Окремнение происходит на ранних стадиях диагенеза, при низком pH и температуре и способствует сохранению окаменелостей. [50] Силицификация происходит по реакции: [50]
Окаменелости часто сохраняются в мельчайших деталях в виде кремня. [50] [51]
Цементация в карбонатных отложениях происходит быстро, обычно в течение менее миллиона лет после отложения. Некоторое цементирование происходит, пока отложения все еще находятся под водой, образуя твердые грунты . Цементация ускоряется после выхода моря из среды отложений, поскольку дождевая вода проникает в пласты отложений, часто в течение всего лишь нескольких тысяч лет. Когда дождевая вода смешивается с грунтовыми водами, арагонит и кальцит с высоким содержанием магния преобразуются в кальцит с низким содержанием кальция. Цементирование мощных карбонатных отложений дождевой водой может начаться еще до отступления моря, поскольку дождевая вода может проникнуть на расстояние более 100 км (60 миль) в отложения под континентальным шельфом. [52]
Поскольку карбонатные отложения все глубже погружаются под более молодые отложения, химическое и механическое уплотнение осадков увеличивается. Химическое уплотнение происходит путем растворения осадков под давлением. Этот процесс растворяет минералы в точках контакта между зернами и переоткладывает их в поровом пространстве, снижая пористость известняка с первоначально высокого значения от 40% до 80% до менее 10%. [53] Раствор под давлением образует характерные стилилиты , неровные поверхности внутри известняка, на которых накапливаются богатые кремнеземом отложения. Они могут отражать растворение и потерю значительной части известнякового пласта. На глубине более 1 км (0,62 мили) цементация захоронения завершает процесс литификации. Погребальная цементация не приводит к образованию стилолитов. [54]
При размыве вышележащих слоев, приближающем известняк к поверхности, наступает заключительная стадия диагенеза. Это приводит к вторичной пористости , поскольку часть цемента растворяется дождевой водой, проникающей в пласты. Это может включать в себя образование каверн , которые представляют собой кристаллические полости внутри известняка. [54]
Диагенез может включать преобразование известняка в доломит с помощью флюидов, богатых магнием. Имеются значительные свидетельства замещения известняка доломитом, включая резкие границы замещения, пересекающие напластования. [55] Процесс доломитизации остается областью активных исследований, [56] но возможные механизмы включают воздействие концентрированных рассолов в горячих средах ( испарительный рефлюкс ) или воздействие разбавленной морской воды в средах дельты или эстуария ( доломитизация Дорага ). [57] Однако доломитизация Дорага впала в немилость как механизм доломитизации, [58] в одной обзорной статье 2004 года она прямо описывается как «миф». [56] Обычная морская вода способна превращать кальцит в доломит, если морская вода регулярно промывает скалу, например, во время приливов и отливов (приливная откачка). [55] Как только доломитизация начинается, она протекает быстро, так что остается очень мало карбонатных пород, содержащих смешанный кальцит и доломит. Карбонатные породы обычно состоят либо почти полностью из кальцита/арагонита, либо почти полностью из доломита. [57]
Около 20–25% осадочных пород составляют карбонатные породы, [3] и большая часть из них — известняк. [17] [3] Известняк встречается в осадочных толщах возрастом 2,7 миллиарда лет. [59] Однако составы карбонатных пород показывают неравномерное распределение во времени в геологической летописи. Около 95% современных карбонатов состоят из высокомагниевого кальцита и арагонита. [60] Иглы арагонита в карбонатных грязях превращаются в кальцит с низким содержанием магния в течение нескольких миллионов лет, поскольку это наиболее стабильная форма карбоната кальция. [28] Древние карбонатные образования докембрия и палеозоя содержат обильные доломиты, но известняк доминирует в карбонатных пластах мезозоя и кайнозоя . Современный доломит встречается довольно редко. Есть свидетельства того, что в то время как современный океан благоприятствует осаждению арагонита, океаны палеозоя и среднего и позднего кайнозоя благоприятствуют осаждению кальцита. Это может указывать на более низкое соотношение Mg/Ca в океанской воде того времени. [61] Это истощение магния может быть следствием более быстрого расширения морского дна , которое удаляет магний из океанской воды. Современный океан и океан мезозоя были описаны как «арагонитовые моря». [62]
Большая часть известняка образовалась в мелководных морских средах, таких как континентальные шельфы или платформы . Такие среды составляют лишь около 5% океанских бассейнов, но известняк редко сохраняется на континентальных склонах и в глубоководных условиях моря. Лучшими средами для осаждения являются теплые воды, обладающие как высокой органической продуктивностью, так и повышенной насыщенностью карбонатом кальция за счет более низких концентраций растворенного углекислого газа. Современные месторождения известняка почти всегда находятся в районах с очень небольшим количеством отложений, богатых кремнеземом, что отражается на относительной чистоте большинства известняков. Рифовые организмы разрушаются мутной, солоноватой речной водой, а зерна карбоната измельчаются гораздо более твердыми зернами силиката. [63] В отличие от обломочных осадочных пород, известняк почти полностью образуется из отложений, возникающих в месте отложения или вблизи него. [64]
Известняковые образования имеют тенденцию демонстрировать резкие изменения толщины. Крупные холмообразные образования в известняковых образованиях интерпретируются как древние рифы , которые, когда они появляются в геологических летописях, называются биогермами . Многие из них богаты окаменелостями, но у большинства из них отсутствует какая-либо связанная органическая структура, подобная той, что наблюдается на современных рифах. Ископаемые останки представлены в виде отдельных фрагментов, погруженных в обширную матрицу грязи. Большая часть отложений имеет признаки того, что они происходят в приливных или надприливных зонах, что позволяет предположить, что отложения быстро заполняют доступное пространство для размещения на шельфе или платформе. [65] Отложения также благоприятствуют на морской окраине шельфов и платформ, где есть апвеллинг глубоководных океанских вод, богатых питательными веществами, которые повышают органическую продуктивность. Рифы здесь обычны, но при их отсутствии встречаются ооидные косяки. Более мелкие отложения откладываются ближе к берегу. [66]
Отсутствие глубоководных известняков отчасти связано с быстрой субдукцией океанической коры, но в большей степени является результатом растворения карбоната кальция на глубине. Растворимость карбоната кальция увеличивается с увеличением давления и еще больше при более высоких концентрациях углекислого газа, который образуется в результате разложения органического вещества, оседающего в глубоком океане и не удаляемого фотосинтезом в темных глубинах. В результате происходит довольно резкий переход от воды, насыщенной карбонатом кальция, к воде, ненасыщенной карбонатом кальция, лизоклину , который происходит на глубине компенсации кальцита от 4000 до 7000 м (от 13000 до 23000 футов). Ниже этой глубины раковины фораминифер и другие скелетные частицы быстро растворяются, и осадки дна океана резко переходят от карбонатного ила, богатого остатками фораминифер и кокколитов (ил Globigerina ), к кремнистым илам, лишенным карбонатов. [67]
В редких случаях турбидиты или другие богатые кремнеземом отложения погребают и сохраняют донные (глубоководные океанские) карбонатные отложения. Древние бентосные известняки микрокристаллические и отличаются своей тектонической обстановкой. Окаменелости обычно представляют собой фораминиферы и кокколиты. Доюрские бентосные известняки не известны, вероятно, потому, что планктон с карбонатной оболочкой еще не развился. [68]
Известняки также образуются в пресноводной среде. [69] Эти известняки мало чем отличаются от морских известняков, но имеют меньшее разнообразие организмов и большую долю кремнезема и глинистых минералов, характерных для мергелей . Формация Грин -Ривер является примером выдающейся пресноводной осадочной формации, содержащей многочисленные пласты известняка. [70] Пресноводный известняк обычно микритовый. Окаменелости харофитов (каменников), формы пресноводных зеленых водорослей, характерны для этих сред, где харофиты производят и улавливают карбонаты. [71]
Известняки также могут образовываться в условиях отложения эвапоритов . [72] [73] Кальцит — один из первых минералов, осаждающихся в морских эвапоритах. [74]
Большая часть известняка образуется в результате деятельности живых организмов вблизи рифов, но организмы, ответственные за образование рифов, изменились с течением геологического времени. Например, строматолиты представляют собой курганистые структуры в древних известняках, которые интерпретируются как колонии цианобактерий , накопивших карбонатные отложения, но в более молодых известняках строматолиты редки. [75] Организмы осаждают известняк как непосредственно в составе своих скелетов, так и косвенно, удаляя углекислый газ из воды посредством фотосинтеза и тем самым уменьшая растворимость карбоната кальция. [71]
Известняк демонстрирует тот же диапазон осадочных структур , что и другие осадочные породы. Однако более тонкие структуры, такие как пластинчатость , часто разрушаются в результате роющей деятельности организмов ( биотурбация ). Тонкая слоистость характерна для известняка, образовавшегося в озерах Плайя , в которых отсутствуют роющие организмы. [76] Известняки также имеют отличительные особенности, такие как геопетальные структуры , которые образуются, когда изогнутые раковины оседают на дно вогнутой стороной вниз. Это захватывает пустое пространство, которое позже может быть заполнено спаритом. Геологи используют геопетальные структуры, чтобы определить, какое направление было вверху во время отложения, что не всегда очевидно для сильно деформированных известняковых образований. [77]
Цианобактерия Hyella balani может проникать сквозь известняк; как и зеленая водоросль Eugamantia sacculata и гриб Ostracolaba implexa . [78]
Микрицитовые грязевые холмы представляют собой полукруглые купола микритового кальцита, лишенные внутренней структуры. Современные образцы имеют толщину до нескольких сотен метров и километр в поперечнике и имеют крутые склоны (с углами уклона около 50 градусов). Они могут состоять из пелоидов, сметенных течениями и стабилизированных травой Талассия или мангровыми зарослями . Мшанки также могут способствовать образованию насыпей, помогая улавливать отложения. [79]
Грязевые насыпи встречаются повсюду в геологической летописи, и до раннего ордовика они были доминирующим типом рифов как на глубокой, так и на мелководье. Эти грязевые насыпи, вероятно, имеют микробное происхождение. После появления каркасных рифовых организмов грязевые насыпи стали ограничиваться в основном более глубокими водами. [80]
Органические рифы образуются в низких широтах на мелководье, глубиной не более нескольких метров. Это сложные, разнообразные структуры, встречающиеся во всей летописи окаменелостей. Организмы-каркасы, ответственные за образование органических рифов, характерны для разных геологических периодов времени: археоциатиды появились в раннем кембрии ; в позднем кембрии они уступили место губкам ; более поздние сукцессии включали строматопороиды, кораллы, водоросли, мшанки и рудисты (форма двустворчатых моллюсков). [81] [82] [83] Протяженность органических рифов менялась в течение геологического времени, и они, вероятно, были наиболее обширными в среднем девоне, когда они занимали площадь, оцениваемую в 5 000 000 км 2 (1 900 000 квадратных миль). Это примерно в десять раз превышает размеры современных рифов. Девонские рифы были построены в основном строматопороидами и пластинчатыми кораллами , которые были опустошены позднедевонским вымиранием . [84]
Органические рифы обычно имеют сложную внутреннюю структуру. Окаменелости всего тела обычно многочисленны, но ооиды и интеркласты на рифе редки. Ядро рифа обычно массивное, не лежащее и окружено осыпями, объем которых больше, чем ядро. Осыпь содержит обильные интракласты и обычно представляет собой либо плавучий камень с 10% или более зерен размером более 2 мм, заключенных в обильном матриксе, либо рудстоун , который в основном представляет собой крупные зерна с разреженным матриксом. Осыпи переходят в планктонные мелкозернистые карбонатные илы, а затем в некарбонатные илы вдали от рифа. [81]
Известняк частично растворим, особенно в кислоте, и поэтому образует множество эрозионных форм рельефа. К ним относятся известняковые тротуары , выбоины , сеноты , пещеры и ущелья. Такие эрозионные ландшафты известны как карсты . Известняк менее устойчив к эрозии, чем большинство магматических пород, но более устойчив, чем большинство других осадочных пород . Поэтому он обычно связан с холмами и низменностями и встречается в регионах с другими осадочными породами, обычно глинами. [85] [86]
Карстовые регионы, перекрывающие известняковую основу, обычно имеют меньше видимых надземных источников (пруды и ручьи), поскольку поверхностные воды легко стекают вниз через трещины в известняке. Вода и органические кислоты из почвы, дренируясь, медленно (в течение тысяч или миллионов лет) расширяют эти трещины, растворяя карбонат кальция и унося его в раствор . Большинство пещерных систем проходят через известняковую основу. Охлаждение грунтовых вод или смешивание различных грунтовых вод также создаст условия, подходящие для образования пещер. [85]
Прибрежные известняки часто подвергаются эрозии организмами, проникающими в скалу различными способами. Этот процесс известен как биоэрозия . Он наиболее распространен в тропиках и известен во всей летописи окаменелостей . [87]
Полосы известняка выходят на поверхность Земли в виде впечатляющих скалистых обнажений и островов. Примеры включают Гибралтарскую скалу , [88] Буррен в графстве Клэр, Ирландия; [89] Бухта Малхам в Северном Йоркшире и на острове Уайт , [90] Англия; Грейт -Орм в Уэльсе; [91] на Форё возле шведского острова Готланд , [92] на Ниагарском откосе в Канаде/США; [93] Нотч-Пик в штате Юта; [94] Национальный парк залива Халонг во Вьетнаме; [95] и холмы вокруг реки Лицзян и города Гуйлинь в Китае. [96]
Флорида -Кис , острова у южного побережья Флориды , состоят в основном из оолитового известняка (Нижние Кис) и карбонатных скелетов коралловых рифов (Верхние Кис), которые процветали в этом районе в межледниковые периоды, когда уровень моря был выше в настоящий момент. [97]
Уникальные места обитания встречаются на альварах — чрезвычайно ровных известняковых пространствах с тонким почвенным покровом. Самым большим подобным пространством в Европе является Стора Альварет на острове Эланд в Швеции. [98] Еще одной областью с большим количеством известняка является остров Готланд, Швеция. [99] Огромные карьеры на северо-западе Европы, например, на горе Святого Петра (Бельгия/Нидерланды), простираются более чем на сто километров. [100]
Известняк — это сырье, которое используется во всем мире различными способами, включая строительство, сельское хозяйство и в качестве промышленного материала. [102] Известняк очень распространен в архитектуре, особенно в Европе и Северной Америке. Многие достопримечательности по всему миру, в том числе Великая пирамида и связанный с ней комплекс в Гизе (Египет) , были построены из известняка. Из него было и продолжает быть построено так много зданий в Кингстоне, Онтарио , Канада, что его прозвали «Известняковым городом». [103] Из известняка, метаморфизованного под воздействием тепла и давления, получается мрамор, который использовался для изготовления многих статуй, зданий и каменных столешниц. [104] На острове Мальта разновидность известняка, называемая известняком Глобигерина , долгое время была единственным доступным строительным материалом и до сих пор очень часто используется во всех типах зданий и скульптур. [105]
Известняк можно перерабатывать во множество различных форм, таких как кирпич, цемент, порошок/дробление или в качестве наполнителя. [102] Известняк легко доступен, и его относительно легко разрезать на блоки или выполнить более сложную резьбу. [101] Древние американские скульпторы ценили известняк, потому что с ним легко работать и он хорош для мелких деталей. Возвращаясь к позднему доклассическому периоду (200–100 гг. до н. э.), цивилизация майя (Древняя Мексика) создавала изысканные скульптуры с использованием известняка из-за его превосходных свойств резьбы. Майя украшали потолки своих священных зданий (известных как перемычки ) и покрывали стены резными панелями из известняка. На этих скульптурах были вырезаны политические и социальные истории, и это помогало донести послания короля до своего народа. [106] Известняк долговечен и хорошо противостоит воздействиям, что объясняет, почему многие известняковые руины сохранились. Однако он очень тяжелый ( плотность 2,6 [107] ), что делает его непрактичным для высотных зданий и относительно дорогим как строительный материал.
Известняк был наиболее популярен в конце 19 - начале 20 веков. Железнодорожные станции, банки и другие постройки той эпохи в некоторых местах были построены из известняка. Он используется в качестве фасада на некоторых небоскребах, но только в виде тонких пластин для покрытия, а не сплошных блоков. В Соединенных Штатах Индиана, особенно район Блумингтона , уже давно является источником высококачественного известняка, добываемого в карьерах, называемого известняком Индианы . Многие известные здания Лондона построены из портлендского известняка . Дома, построенные в Одессе на Украине в 19 веке, в основном были построены из известняка, а обширные остатки шахт теперь образуют Одесские катакомбы . [108]
Известняк также был очень популярным строительным материалом в средние века в тех районах, где он встречался, поскольку он твердый, прочный и обычно встречается на легкодоступных поверхностях. Многие средневековые церкви и замки в Европе построены из известняка. Пивной камень был популярным видом известняка для средневековых зданий на юге Англии. [109]
Известняк является сырьем для производства извести, которая прежде всего известна для обработки почв, очистки воды и выплавки меди. Известь – важный ингредиент, используемый в химической промышленности. [110] Известняк и (в меньшей степени) мрамор реагируют на кислотные растворы, что делает кислотные дожди серьезной проблемой для сохранения артефактов, изготовленных из этого камня. Многие известняковые статуи и поверхности зданий серьезно пострадали из-за кислотных дождей. [111] [112] Аналогично известняковый гравий использовался для защиты озер, уязвимых к кислотным дождям, действуя как буферный агент pH . [113] Чистящие средства на кислотной основе также могут травить известняк, который следует очищать только нейтральным или мягким чистящим средством на основе щелочи . [114]
Другие варианты использования включают:
Многие известняковые образования являются пористыми и проницаемыми, что делает их важными резервуарами нефти . [124] Около 20% запасов углеводородов Северной Америки находятся в карбонатных породах. Карбонатные коллекторы очень распространены на богатом нефтью Ближнем Востоке [59] , и карбонатные коллекторы содержат около трети всех запасов нефти в мире. [125] Известняковые формации также являются распространенными источниками металлических руд, поскольку их пористость и проницаемость, а также их химическая активность способствуют отложению руды в известняке. Свинцово - цинковые месторождения Миссури и Северо-Западных территорий являются примером месторождений руд, размещенных в известняках. [59]
Известняк – важнейшее промышленное сырье, пользующееся постоянным спросом. Это сырье играет важную роль в черной металлургии с девятнадцатого века. [126] Компании никогда не испытывали недостатка в известняке; однако это стало проблемой, поскольку спрос продолжает расти [127] , и спрос на него остается высоким и сегодня. [128] Основными потенциальными угрозами для поставок в девятнадцатом веке были региональная доступность и наличие. [126] Двумя основными проблемами доступности были транспорт и права собственности. Другими проблемами были высокие капитальные затраты на заводы и сооружения из-за экологических норм и требований зонирования и разрешений на добычу полезных ископаемых. [104] Эти два доминирующих фактора привели к адаптации и выбору других материалов, которые были созданы и сформированы для разработки альтернатив известняку, соответствующих экономическим требованиям. [126]
Известняк был классифицирован как важнейшее сырье, и, учитывая потенциальный риск его нехватки, он заставил отрасли искать новые альтернативные материалы и технологические системы. Это позволило больше не классифицировать известняк как критический, поскольку производство замещающих веществ увеличилось; Например, руда минетт является распространенным заменителем. [126]
Порошкообразный известняк в качестве пищевой добавки обычно считается безопасным [130] , а известняк не считается опасным материалом. Однако известняковая пыль может вызывать легкое раздражение дыхательных путей и кожи, а пыль, попадающая в глаза, может вызывать ссадины роговицы . Поскольку известняк содержит небольшое количество кремнезема, вдыхание известняковой пыли потенциально может привести к силикозу или раку . [129]
Управление по безопасности и гигиене труда (OSHA) установило законный предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия известняка на рабочем месте на уровне 15 мг/м 3 (0,0066 г/куб футов) общего воздействия и 5 мг/м 3 (0,0022 г/куб футов). куб футов) респираторное воздействие в течение 8-часового рабочего дня. Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 10 мг/м 3 (0,0044 г/ку фута) общего воздействия и 5 мг/м 3 (0,0022 г/ку фута) воздействия на дыхательные пути. более 8-часового рабочего дня. [131]
Удаление граффити с выветренного известняка затруднено, поскольку это пористый и проницаемый материал. Поверхность хрупкая, поэтому обычные методы истирания могут привести к серьезной потере поверхности. Поскольку камень чувствителен к кислоте, некоторые чистящие средства нельзя использовать из-за побочных эффектов. [132]