Calcaire: la roche sédimentaire chimique au carbonate de calcium

Contenu

• Qu'est-ce que le calcaire?
• Comment se forme le calcaire?
• Formation de dolomite à partir de calcaire
• Autres types de roches carbonatées
• Extraction de roches carbonatées
• Utilisations du calcaire
• La pénurie de ciment à Portland
• Sources de calcaire dans le futur
• Modèles de production de calcaire
• Quelques problèmes dans l'extraction du calcaire
• La nécessité de comprendre une ressource essentielle
• Consommation industrielle américaine de calcaire

Produits en calcaire: Le calcaire est un produit minéral essentiel d’importance nationale. Cette photo montre quelques-uns des nombreux produits fabriqués à base de calcaire: céréales de petit-déjeuner, peinture, suppléments de calcium, plateau en marbre, comprimés antiacides, papier de haute qualité, granulés de toiture blancs et ciment Portland. (Photographie USGS; les noms de commerce, d’entreprise ou de produit sont utilisés à des fins descriptives uniquement et n’impliquent donc pas l’approbation du gouvernement des États-Unis.)

Calcaire d'Indiana dans le bâtiment Apex: De nombreux bâtiments de la capitale des Nations sont recouverts de calcaire. L'Apex Building / Commission fédérale du commerce a un extérieur supérieur en calcaire d'Indiana. (Photographie USGS.)

Qu'est-ce que le calcaire?

"Calcaire" signifie toute roche formée principalement de carbonate de calcium (CaCO₃), mais pour les géologues, le calcaire n’est que l’un des nombreux types de «roches carbonatées». Ces roches sont composées de plus de 50% de minéraux carbonatés, généralement de la calcite (calcium pur)₃) ou dolomite (carbonate de calcium et de magnésium, CaMg₂) ou les deux.

Comment se forme le calcaire?

La plupart des roches carbonatées ont été déposées à partir de l'eau de mer. Ces roches carbonatées sédimentaires sont courantes sur tous les continents et se sont formées au cours de la majeure partie de l’histoire géologique; ils se forment encore aujourd'hui sous les tropiques sous forme de récifs coralliens et au fond des mers peu profondes.

Le calcaire marin se forme parce que l’eau de mer contient de fortes concentrations de deux produits chimiques dissous clés: le calcium (Ca⁺⁺) et le bicarbonate (HCO_3-) des ions. Dans la couche proche de la surface de la plupart des océans, les coraux, les palourdes et d’autres créatures marines utilisent ces deux produits chimiques pour fabriquer des coquilles protectrices en les combinant pour former de la calcite ou "aragonite", qui a la même composition chimique que la calcite, mais possède une forme de cristal différente.

Puisard à Winter Park, en Floride: De grandes quantités de calcaire peuvent être dissoutes et emportées par les eaux de surface et les eaux souterraines. Cela crée des grottes, telles que les cavernes de Carlsbad au Nouveau-Mexique (photo ci-dessous). Dans les climats humides, la formation de grottes est particulièrement fréquente et des gouffres peuvent se développer là où les plafonds des grottes s'effondrent. Un gouffre d'environ 240 pieds au sol a été ouvert en 1981 à Winter Park, en Floride, lorsque le plafond d'une grotte calcaire sous-jacente s'est effondré. La grotte et le gouffre se trouvent dans la formation Cypresshead, un aquifère important du centre de la Floride. Dans les aquifères calcaires caverneux, les contaminants dans les eaux souterraines se déplacent beaucoup plus rapidement que dans d'autres types de roches. Les carrières situées dans de telles zones sont donc une préoccupation particulière. (Photographie USGS.)

Formation de dolomite à partir de calcaire

Certains calcaires ont été modifiés par l'introduction de magnésium dans les eaux souterraines. Le magnésium dans les eaux souterraines peut convertir tout ou partie de la calcite dans le calcaire en dolomie. De plus, certaines roches formées près des côtes de mers anciennes dans des climats arides étaient principalement constituées de dolomie au moment de leur dépôt.

Grotte calcaire: Des stalactites pendent du plafond et des stalagmites émergent du sol de Carlsbad Caverns, au Nouveau-Mexique, dans du calcaire vieux de 260 millions d'années. (Photographie du Service des parcs nationaux.)

Autres types de roches carbonatées

Le calcaire se décline en de nombreuses variétés. La craie est un calcaire marin poreux à grain très fin composé presque entièrement de fossiles microscopiques. Le travertin est un calcaire sédimentaire d’eau douce qui possède de très fines couches crénelées et qui se forme généralement aux sources. Le marbre est une roche carbonatée, généralement un calcaire marin, qui a été comprimée et déformée comme le plastique par une chaleur et une pression profondes au-dessous de la surface de la Terre. Ce processus s'appelle "métamorphisme". Il existe également de rares roches carbonées "ignées" qui se sont cristallisées à partir de magma en fusion de la même manière que les laves ou les granites. Celles-ci sont appelées "carbonatites" et ce type de roche est exploité à quelques endroits dans le monde sous forme de calcaire industriel.

Extraction de roches carbonatées

Les dépôts sédimentaires de calcaire peuvent être étendus, couvrant des centaines de kilomètres carrés, et peuvent être relativement uniformes en épaisseur et en qualité. Par conséquent, les carrières de calcaire peuvent être de grande taille et avoir une longue durée de vie. Les couches de calcaire minier peuvent atteindre des centaines de pieds d'épaisseur sur plusieurs kilomètres carrés. De nombreuses carrières produisent plusieurs produits, et les roches concassées qui ne sont pas assez pures pour certaines utilisations peuvent quand même convenir comme agrégat de route. Les carrières de marbre peuvent aussi être très grandes. Cependant, ces roches qui étaient jadis régulièrement assises ont été métamorphosées en corps de forme irrégulière, plus difficiles et coûteux à extraire.

Dans de grandes parties des États-Unis, il existe de vastes gisements de calcaire marin d'âges variés allant de quelques milliers à plus de 350 millions d'années. Certains dépôts ont des qualités chimiques allant jusqu'à 95% de CaCO₃. Cependant, certaines zones sont complètement dépourvues de gisements calcaires appropriés. Le coût du calcaire pour le client dépend en grande partie de sa distance et de la manière dont il est expédié. Les expéditions par barge sur l'eau sont moins chères que par train, ce qui, à son tour, est moins cher que l'expédition par camion.

Utilisations du calcaire

Le calcaire a de nombreuses utilisations industrielles et peut être utilisé comme minerai ou transformé en une grande variété de produits. C'est la matière première pour une grande variété de matériaux de construction, agricoles, environnementaux et industriels.

Le calcaire est utilisé presque partout dans la construction. En 2007, le calcaire broyé représentait 68% de la totalité de la pierre concassée produite aux États-Unis. En outre, le calcaire est l'ingrédient clé dans la fabrication du ciment Portland. Malgré l'abondance de calcaire dans nos nations, il y a eu des pénuries de ciment ces dernières années.

Les marbres sont parmi les calcaires naturels les plus purs. Pendant des siècles, le marbre a été la pierre de choix pour les bâtiments gouvernementaux et les statues publiques. Le travertin est également utilisé comme pierre de taille dans les carreaux et les dessus de table. Certains calcaires blancs sont simplement concassés et tamisés pour être utilisés dans l'aménagement paysager et la toiture.

Le calcaire en poudre est utilisé pour éliminer les impuretés des métaux en fusion tels que l'acier. Il peut également éliminer les composés toxiques des gaz d'échappement des centrales au charbon. Le calcaire est utilisé comme charge dans une variété de produits, notamment le papier, le plastique et la peinture. Le calcaire le plus pur est même utilisé dans les aliments et les médicaments tels que les céréales pour petit-déjeuner et les pilules de calcium.

Le calcaire est également la matière première pour la fabrication de chaux (CaO) utilisée pour traiter les sols, purifier l'eau et fondre le cuivre. La chaux a de nombreuses utilisations supplémentaires dans les industries chimiques.

Les dolomites sont généralement moins appropriées que les autres calcaires industriels pour la plupart des applications. La plupart des dolomies extraites sont simplement broyées et tamisées pour être utilisées comme agrégats dans le béton ou l'asphalte.

La pénurie de ciment à Portland

Le ciment Portland est l'un des produits les plus importants fabriqués à partir de calcaire. C'est essentiel dans de nombreuses applications de construction. Les États-Unis ne sont pas autosuffisants en ciment et doivent l'importer d'autres pays pour combler leurs lacunes. Les importations de clinker (produit de la première étape de fabrication du ciment) et de ciment fini représentaient environ 23% des ventes totales de ciment aux États-Unis en 2006. Au cours des années précédant 2007, le ciment Portland était sérieusement en pénurie dans le pays. La concurrence d'autres pays, un système de transport maritime inadéquat et une sous-estimation des besoins en espace de chargement figuraient parmi les causes.

Lorsque le ciment Portland était très rare, son prix a considérablement augmenté. Les consommateurs ont cherché des substituts. Ils ont utilisé du bois traité sous pression, de l'acier isolé et du polystyrène dans des panneaux, et même des pieds de page de bâtiment redessinés pour réduire la quantité de ciment nécessaire. Les pénuries de ciment ont également entraîné des retards dans la construction, qui ont entraîné une augmentation des coûts des routes, des ponts et des bâtiments.

Sources de calcaire dans le futur

L’établissement de nouvelles carrières de calcaire et de cimenteries aux États-Unis est un processus lent, et les pénuries d’approvisionnement nécessitent du temps pour y remédier. Il faut environ deux ans pour construire une nouvelle cimenterie, et le processus d'obtention de permis peut durer beaucoup plus longtemps - 8 à 10 ans. Peut-être un problème encore plus difficile réside-t-il dans le fait que les gens n'accepteront peut-être pas de nouvelles carrières et usines dans leur région. En dépit de ces obstacles, de nombreuses sociétés américaines de ciment sont en train d’élargir et de moderniser leurs opérations.

Quand une zone de roche convenable et exploitable est engloutie par la croissance urbaine ou lorsque l’exploitation minière devient interdite par la législation ou le zonage, le résultat est appelé "stérilisation des ressources". Le calcaire est un matériau d’importance nationale et la stérilisation des ressources peut entraîner un transport plus long à un coût plus élevé de la carrière au client.

Modèles de production de calcaire

La majeure partie du calcaire extrait est concassée en granulats. La majeure partie de la production de pierre concassée aux États-Unis provient du calcaire depuis au moins 40 ans. Cela est vrai même si les roches carbonatées ne représentent que 25 à 35% des roches à la surface.

Les opérations de pierre concassée aux États-Unis ont diminué en nombre, avec une perte d’environ 20% par décennie depuis 1971. Cependant, de 2001 à 2006, la production annuelle totale de calcaire aux États-Unis a augmenté selon les résumés des produits minéraux de la US Geological Survey (USGS). carrière augmente. Dans d'autres parties du monde, la nouvelle production provient principalement de quelques très grandes carrières. Malgré l’augmentation de la production américaine, la nation importait de plus en plus de ses produits calcaires jusqu’au récent ralentissement de la construction. Ces importations proviennent principalement du Canada, du Mexique et de la Chine. Avec moins de carrières, la distance moyenne de transport augmentera et les prix du calcaire augmenteront probablement encore.

Quelques problèmes dans l'extraction du calcaire

Le calcaire est le plus souvent extrait d'une carrière. Cependant, des mines de calcaire souterraines se trouvent dans des endroits du centre et de l'est des États-Unis, en particulier dans les villes et à proximité. L'exploitation souterraine du calcaire présente certains avantages par rapport à l'extraction en surface et augmentera probablement à l'avenir. La poussière, le bruit, les vibrations provoquées par l’explosion, le trafic de camions et d’autres types de circulation liés à l’exploitation de carrières font partie des préoccupations du public.

Certains calcaires sont aussi des aquifères, c’est-à-dire des unités rocheuses capables de fournir de l’eau aux puits. Lorsque le calcaire est un aquifère, il peut être inquiétant que des contaminants provenant des activités d'extraction en carrière puissent s'échapper dans les eaux souterraines.

Dans de nombreuses régions des États-Unis où du calcaire est trouvé, il se dissout progressivement dans les eaux de pluie à la surface ou dans les eaux souterraines proches de la surface. Dans les climats humides, de grands volumes de calcaire se dissolvent et sont emportés dans l'eau. Cela crée des cavernes et des dolines peuvent se développer là où les plafonds des cavernes s'effondrent. Dans les aquifères calcaires caverneux, les contaminants dans les eaux souterraines se déplacent beaucoup plus rapidement que dans d'autres types de roches. Les carrières situées dans de telles zones sont donc une préoccupation particulière.

La nécessité de comprendre une ressource essentielle

Le calcaire fait partie des ressources les plus essentielles de nos nations. Notre compréhension de cette ressource en tant que minéral industriel est médiocre compte tenu de son importance pour notre économie. Le calcaire ayant été considéré comme un "rocher" commun, la recherche géologique antérieure avait une portée limitée. Dans le passé, la plupart des recherches de l'USGS sur le calcaire se sont concentrées sur la cartographie des gisements, ainsi que sur la compréhension de leurs rôles en tant qu'aquifères et réservoirs de pétrole. Cependant, différentes données sont nécessaires pour caractériser le calcaire approprié pour la construction et d'autres industries. Les roches carbonatées doivent satisfaire à des exigences de pureté chimique qui varient en fonction de l'utilisation prévue. Certaines utilisations exigent que le calcaire présente également certaines propriétés techniques favorables. Les normes et les exigences relatives à l'utilisation du calcaire sont en hausse et une meilleure compréhension des caractéristiques, de la variabilité et des propriétés techniques du calcaire est nécessaire.

Le calcaire fait partie des ressources les plus essentielles de nos nations. Notre compréhension de cette ressource en tant que minéral industriel est médiocre compte tenu de son importance pour notre économie. Le calcaire ayant été considéré comme un "rocher" commun, la recherche géologique antérieure avait une portée limitée. Dans le passé, la plupart des recherches de l'USGS sur le calcaire se sont concentrées sur la cartographie des gisements, ainsi que sur la compréhension de leurs rôles en tant qu'aquifères et réservoirs de pétrole. Cependant, différentes données sont nécessaires pour caractériser le calcaire approprié pour la construction et d'autres industries. Les roches carbonatées doivent satisfaire à des exigences de pureté chimique qui varient en fonction de l'utilisation prévue. Certaines utilisations exigent que le calcaire présente également certaines propriétés techniques favorables. Les normes et les exigences relatives à l'utilisation du calcaire sont en hausse et une meilleure compréhension des caractéristiques, de la variabilité et des propriétés techniques du calcaire est nécessaire.

Consommation industrielle américaine de calcaire

Les limites géologiques et économiques auront certainement une incidence sur les futurs approvisionnements en calcaire. Les États-Unis consomment actuellement entre 5 et 10% de la production mondiale de calcaire industriel. En 2007, la production nationale de calcaire industriel était d'environ 1,3 milliard de tonnes, évaluée à plus de 25 milliards de dollars. La même année, le pays a importé environ 430 000 tonnes de calcaire industriel et de produits à base de calcaire, d’une valeur d’environ 2,2 milliards de dollars. La plupart de ces importations étaient du ciment Portland.

Relever le défi de répondre aux besoins des Amériques en produits minéraux essentiels tels que le calcaire industriel nécessite des données scientifiques précises et non biaisées. Les travaux en cours des scientifiques du programme USGS sur les ressources minérales fournissent les informations essentielles à la création de politiques judicieuses qui contribueront à garantir l’approvisionnement futur en ressources minérales.