Справочник по добыче и переработке нерудных материалов в Североамериканском регионе. Глава 3: Геология

Человечество использует горные породы и на протяжении миллионов лет. В основе классификации горных пород лежат различные характеристики, в том числе химический и минеральный состав горных пород, водопроницаемость, текстура и размер зерен. Физико-механические свойства горных пород являются конечным результатом геологических процессов, в результате которых образовались горные породы. По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические. Основными видами природного заполнителя, используемого в Североамериканском регионе, являются щебень, песок и гравий. Заполнитель используется в жилищном строительстве, в строительстве объектов коммерческой недвижимости и промышленных зданий и сооружений, а также в большинстве проектов строительства объектов гражданской инфраструктуры, таких как дороги и скоростные магистрали, мосты, железнодорожное полотно, плотины, аэропорты, системы водоснабжения и отвода сточных вод.

Заполнители нашли широкое применение не только из-за своей доступности. Эти природные сыпучие каменные материалы широко применяются также по экономическим соображениям. Нередко заполнитель хорошего качества при относительно низкой стоимости можно найти недалеко от места его использования. Такие материалы можно получить и использовать с минимальной необходимостью в переработке.

Однако несмотря на то, что ресурсы, пригодные для производства щебня, песка и гравия, широко распространены по всей территории Северной Америки, это не означает, что они одинаково доступны. В некоторых районах испытывается недостаток источников песка и гравия, а некоторые потенциальные природные источники щебня могут быть недостаточными или могут залегать под слишком мощной толщей перекрывающей породы, что делает добычу каменного материала открытым способом нерентабельной.

В некоторых районах сырье для производства заполнителей может не отвечать требованиям определенных пользователей к физико-механическим свойствам готовой продукции, или может содержать минералы, которые при использовании в цементобетоне инициируют нежелательные реакции. К тому же жители могут выступить против организации предприятия по добыче и производству щебня поблизости их места проживания.

Щебень, песок и гравий образовались в результате геологических процессов. Вулканы, ледники, ветер, реки и моря формировали форму и характер горных пород в течение миллионов лет. Возможно, гравий, используемый сегодня, отложился тысячи лет назад, а с геологической точки зрения – только вчера. Твердый, плотный известняк, возможно, отложился в форме известкового ила сотни миллионов лет назад. В тех случаях, когда возникает потребность в заполнителе, геологические изыскания помогут определить местоположение, распределение и тип потенциального заполнителя в регионе.

Песчано-гравийные залежи образовались в результате эрозии подстилающей горной породы и горных пород на земной поверхности и последующего сноса, истирания и осаждения частиц. Основным агентом денудации, определяющим характер распределения отложений песка и гравия, является вода. Как следствие, гравий широко распространен и присутствует в избытке в местах, в которых ранее присутствовали ледники, в аллювиальных бассейнах, вдоль или поблизости речных русел. Выветрелые отложения обычно мелкозернистые и редко используются для производства заполнителей.

На территории Северной Америки широко распространены песчано-гравийные залежи в форме русловых или речных отложений, образовавшиеся в результате переноса осадочного материала реками или водяными потоками. В холмистых или горных районах материнская порода подвергается химическому и физическому выветриванию и постепенно разрушается на все более мелкие частицы. Менее стойкие к химическому выветриванию минералы растворяются или превращаются в глинистые минералы. Более стойкие к выветриванию минералы остаются в форме обломков горных пород.

В зависимости от состава и структуры материнской породы, а также климата, почвенно-растительного покрова и топографии, толщина остальных слоев почвы может варьироваться от почти нуля до нескольких десятков футов, а их состав может быть самым разным: почвенный слой может почти полностью состоять из глины, либо представлять собой смесь глины, ила, песка и гравия, либо только песка и гравия или крупных обломков горной породы.

Некоторое количество обломочного материала под влиянием силы тяжести и поверхностных стоков переместилось вниз, к подножию гор, образуя коллювиальные отложения. Коллювиальные отложения захватываются реками и ледниками и со временем переносятся в долины рек с относительно высоким градиентом стока. В руслах рек обломки горных пород истираются, окатываются и сортируются. Материал, переносимый потоками воды, осаждается вдоль русел и в долинах рек и в одних местах может складываться из песка и гравия, а в других – из ила и глины.

Процессы эрозии могут изменить уже сформировавшуюся долину. Если река или водяной поток врезается в свое ложе и вырабатывает новое русло, остатки прежнего русла или долины сохраняются в виде террас. Многократные врезания могут привести к образованию нескольких ступеенеобразно расположенных террас.

Ледниковые (гляциальные) отложения

Многие из обширных песчано-гравийных месторождений в северных районах и на возвышенностях в США появились в результате континентального или альпийского оледенения. По мере того, как ледники продвигались по поверхности суши, они разрушали горные породы, слагающие возвышенности и кряжи, и подстилающие горные породы ложа, оставляя после себя ледниковые наносы, представляющие собой несортированную или плохо сортированную смесь обломочного материала разного размера — от глины до валунов.

По мере таяния ледников талые воды уносили обломки разрушенных льдами горных пород. В ходе этого процесса происходило дальнейшее разрушение и сортировка обломков. Происходило окатывание угловатых обломков, слабые обломки разрушались на более мелкие фрагменты, мелкие фрагменты уносились дальше и откладывались в озерах и прудах, образуя озерно-ледниковые отложения, а крупный песок и галька откладывались вдоль русел рек, образуя гляциофлювиальные отложения.

Ледниковая эрозия и аккумуляция представляют собой сложные динамические процессы. На скорость таяния льда и объем талых вод влияют почасовые, суточные и сезонные изменения температуры и долгосрочные климатические изменения. По этой причине размер частиц гляциофлювиальных отложений существенно варьируется и эти отложения аккумулируются в различных топографических условиях.

Аллювиальные конусы выноса

В засушливых и полупустынных районах западной части США во многих бассейнах и долинах рек обнаружены рыхлые аллювиальные отложения большой мощности. Аллювий, обломочный материал, представленный в основном глиной, илом, песком или гравием, образовался в результате эрозии соседствующих горных массивов и переноса материала разрушения горных пород в бассейны рек во время нечастых, но бурных паводков, типичных для условий пустыни, с устремляющимися вниз по крутым склонам потоками воды.

Достигнув бассейна реки, потоки воды, как правило, разливаются по речному руслу и впитываются в почву. Резкое изменение крутизны уклона и снижение транспортирующей способности потоков приводит к отложению осадочных материалов и образованию аллювиальных конусов выноса. Отложение крупных обломков горных пород, как правило, происходит в непосредственной близости от гор. По мере удаления от гор и приближения к аллювиальным долинам и центру бассейнов происходить постепенное уменьшение зернистости. Со временем конусы выноса, образовавшиеся в расположенных рядом долинах, сливаются, образуя сплошные мощные отложения аллювия.

Щебень

По происхождению выделяют три основные группы горных пород: осадочные, магматические и метаморфические. В настоящее время, в США, доля осадочных горных пород, представленных известняком и доломитом, в производстве щебня составляет около 71 процента. Доля магматических горных пород, которые в щебеночной промышленности представлены гранитом и траппом (базальты и диабаз), составляет 14 и 8 процентов соответственно. Оставшиеся 7 процентов приходятся на метаморфические породы, такие как гнейс, мрамор или кварцит, которые используются в щебеночной промышленности наряду с другими видами камней.

Осадочные горные породы образовались в результате отвердевания рыхлых отложений под воздействием химических, биогенных или механических процессов, или путем прямого химического осаждения. Осадочные горные породы, возникшие в результате осаждения веществ химическим или биогенным путем, в числе которых такие твердые и плотные виды горных пород как известняки и доломиты (карбонат кальция или карбонат кальция-магния), в целом являются хорошим источником сырья для производства щебня. Однако некоторые виды известняка и доломита слишком мягкие, гигроскопичные или легко крошатся, чтобы использовать их в качестве сырья для производства высококачественного заполнителя.

К осадочным горным породам, которые образовались в результате жизнедеятельности организмов, например, таких как губки, относятся кремнистый сланец и кремневая галька. Эти виды горной породы можно использовать для производства заполнителей, однако такие заполнители может стать причиной нежелательных реакций в цементобетоне, вызывающих его растрескивание и шелушение.

Обломочные горные породы осадочного происхождения (образовавшиеся путем механического осаждения) разделяются на группы согласно размеру отдельных зерен. Горные породы, состоящие преимущественно из крупнозернистого гравия и более крупных обломков, относятся к группе обломочных горных пород. Горная порода, состоящая преимущественно из зерен песка, относится к группе песчаников. А состоящая преимущественно из частиц ила или глины горная порода — это алевролиты и аргилиты соответственно. Из этих горных пород только жесткий и плотный песчаник используется в качестве сырья для производства щебня. В регионах, где нет другого материала, он является основным источником для производства щебня, но в целом на долю песчаника в производстве заполнителей в США приходится всего лишь 3 процента.

Магматические горные породы возникли в результате затвердевания природного расплава – магмы или лавы. Классификация магматических горных пород определяется относительной глубиной застывания расплава. Интрузивные горные породы – это магматические горные породы, застывшие на глубине, в толще земной коры. Для интрузивных горных пород характерны крупные вростки минеральных кристаллов из-за медленного остывания, обусловленного глубиной образования. В щебеночной промышленности светлые интрузивные горные породы обычно называют гранитом. Экструзионные магматические породы затвердевают на поверхности земли или вблизи нее и обычно состоят из небольших или микроскопических кристаллов, которые образовались из-за быстрого остывания.

В щебеночной промышленности группу магматических горных пород часто называют траппом. Твердые, вязкие и плотные магматиты являются отличным сырьем для производства щебня. Однако среди них также есть очень рыхлые или очень пористые. Некоторые виды кремнистых горных пород вулканического происхождения при использовании в цементобетоне в качестве заполнителя вступают в агрессивную реакцию.

Образование метаморфических горных пород происходит при воздействии высоких температур и давления на горные породы, залегающие в толще земной коры. К распространенным метаморфическим горным породам относятся глинистый сланец, кристаллический сланец, гнейс, мрамор и кварцит. Из перечисленных горных пород в качестве заполнителей используются только гнейс, мрамор и кварцит.

Альтернативные материалы, пригодных для производства заполнителей

В районах, где добыча природного щебня не рентабельна, или физико-химические свойства природного материала не отвечают установленным требованиям, или добыча природного щебня ограничена действующими правилами землепользования или другими нормами, чтобы избежать избыточных расходов на доставку материалов из другого региона. в качестве заполнителей можно использовать другие материалы.

В качестве замены щебня, песка или гравия могут использоваться такие натуральные материалы, как ракушечник, клинкер (материнская порода, спекшаяся или сплавившаяся в результате горения подземных угольных пластов) и натуральная селитра (осадки, сцементированные растворимыми солями натрия). Для производства заполнителей можно использовать глину и сланец, вспученный путем обжига. Кроме того, можно использовать даже определенные виды твердых отходов, в числе которых доменный и сталеплавильный шлак, котельный шлак, отходы угольной промышленности, шахтные отходы, отходы стекла и измельченные старые шины.

Реальной альтернативой натуральным заполнителям в настоящее время является рециклинговый бетон и асфальт (битумная смесь). Эти материалы могут стать экономически рентабельным и экологически благоприятным вариантом замены. В некоторых штатах приняты специальные программы, стимулирующие рециклинг, или требования, касающиеся применения технологии рециклинга.

Регионы США, в которых имеются сырьевые ресурсы для производства заполнителей

Натуральные материалы, которые пригодны для производства заполнителей, залегают там, где определила природа, а не там, где это нужно людям. Для описания наличия на территории США сырьевых ресурсов, необходимых для производства заполнителей, и качества этих материалов, всю территорию разделили на 12 регионов. В целом нерудные материалы, залегающие в пределах каждого региона, имеет сходные характеристики, но между регионами существуют довольно четкие различия.

В любом из указанных регионов использование нерудных материалов для производства заполнителей может быть ограничено их качеством, правилами землепользования, принятыми в регионе нормами, и другими социально-экономическими факторами, которые могут препятствовать созданию предприятия по добыче и производству заполнителей. Также следует отметить, что используемое в этой главе деление на регионы предельно упрощено и предназначено только для общего ознакомления.

1. Горные системы в западной части США

• Топография

Высокие массивные горы чередуются с относительно узкими долинами с крутыми склонами. Широкие долины рек могут иметь надпойменные террасы.

• Запасы щебня

В горах залегают магматические и метаморфические горные породы, окруженные со всех сторон плотными осадочными горными породами, включая некоторые виды известняков. В целом имеются потенциальные запасы материалов для производства высококачественных заполнителей.

• Запасы песка и гравия

В регионе присутствуют отложения русловых потоков или речные отложения, а также ограниченное количество гляциофлювиальных отложений. Проблемы, связанные с качеством, обычно ограничиваются определенными местами залегания.

2. Провинция долин и хребтов

• Топография

Характерно наличие сменяющих друг друга бассейнов или долин рек и горных хребтов.

• Запасы щебня

В основании горных хребтов, как правило, залегают магматические, метаморфические и консолидированные осадочные горные породы. В целом имеются потенциальные запасы материалов для производства высококачественных заполнителей.

• Запасы песка и гравия

Большие по площади аллювиальные бассейны, как правило, содержат обширные отложения плохо сортированного песка и гравия. Террасы и пляжи на склонах гор сложены хорошо сортированным песком и гравием. Для некоторых районов характерен дефицит запасов песка и гравия. Проблемы, связанные с качеством, обычно ограничиваются определенными местами залегания.

3. Колумбийское плато

• Топография

Пологое плато, образованное толщей обширных потоков застывшей лавы, разделенных почвенными зонами и переслаиваемых отложениями.

• Запасы щебня

В северной части этого региона из горных пород распространен базальт, который в целом подходит для производства заполнителей. В южной части распространен базальт и другие магматические горные породы. Физико-химические свойства некоторых из присутствующих горных пород в этом регионе не позволяют производить высококачественные заполнители.

• Запасы песка и гравия

В северных районах указанного региона повсеместно распространены русловые, речные и гляциофлювиальные отложения. В остальных районах залежи песка и гравия являются явно недостаточными для производства заполнителей, и представлены, как правило, речными и русловыми отложениями. Физико-химические свойства гравия в большей части отложений не позволяют производить высококачественные заполнители.

4. Плато Колорадо и Вайомингский бассейн

• Топография

Высокие плато с глубокими каньонами, горами, пустынями и сильно эродированными, бесплодными землями. В результате эрозии образовались обширные территории с рельефными отвесными скалами.

• Запасы щебня

В целом, плато сложены как слабо, так и хорошо консолидированными песчаниками, сланцевыми горными породами и известняком, причем залежи камня песчаника и сланца являются самыми обширными и преобладающими. Кое-где геологические тело содержит значительные количества гипса или галитовой горной породы. Мягкий известняк и сланец дают, как правило, заполнители низкого качества.

• Запасы песка и гравия

Речные, русловые и гляциофлювиальные отложения встречаются вдоль части долин крупных водотоков, особенно в районах, прилегающих к горным цепям в северной и восточной частях региона. В остальной части региона песок и гравий представлены аллювиальными и речными отложениями. Гравий образуется в результате эрозии мягкого песчаника и сланца и обычно имеет низкое качество.

5. Высокие равнины

• Топография

Плато с плоской поверхностью занимает большую площадь. Высоты плато снижаются с запада на восток. Важные рельефные особенности региона включают песчаные дюны и широкие долины разветвленных водотоков, которые текут из Скалистых гор через плато на восток.

• Запасы щебня

Материнская порода состоит из мягких отложений среднеплотного сложения, практически непригодных для использования в качестве щебня.

• Запасы песка и гравия

Речные и русловые отложения крупных рек и их притоков. По мере удаления от гор размер частиц отложений становится меньше и отложения характеризуются малым количеством крупнозернистых песков. Физико-химические свойства гравия в большей части отложений не позволяют производить высококачественный щебень.

6. Часть центрального региона, не подвергшаяся воздействию ледников

• Топография

Топографически сложный регион, включающий низменности и равнины, а также холмистую местность и горные районы.

• Запасы щебня

На большей части региона, в его северной части, и на территории, прилегающей к Скалистым горам, распространены осадочные горные породы, представленные в основном песчаником, сланцами и обломочными горными породами. За исключением рассеянных месторождений известняка, указанные виды горных пород не могут использоваться в качестве сырья для производства качественных заполнителей. Большая часть территории юго-центрального региона сложена известняками и доломитом. Эти виды горных породы обычно являются подходящим источником сырья для производства щебня, хотя в определенных случаях использование такого щебня может быть ограничено присутствием в горной породе кремнистого известняка и других вредных минералов.

• Запасы песка и гравия

Поверхность суши на большей части территории перекрывается элювиальным грунтом, который образовался в результате химического и физического разрушения материнской породы. Элювиальный грунт в западной части региона перекрывается мощным слоем выветрелых отложений. Источниками песка и гравия на территории региона являются русловые и речные отложения. Песок и гравий имеют различный уровень качества, зависящий от типа материнской породы.

7. Часть центрального региона, подвергшаяся воздействию ледников

• Топография

Плоские равнины, цепи холмов и невысокие горы с округлыми вершинами.

• Запасы щебня

Материнская порода сложена осадочными породами, состоящими из песчаника, сланца, известняка и доломита. Указанные горные породы наиболее широко распространены в центральной части рассматриваемого региона и менее распространены на востоке. Для западной части региона в целом характерно отсутствие известняка и доломита и соответствующих ресурсов для производства щебня. На всей территории региона, даже там, где на глубине залегает подходящая для производства щебня материнская порода, толщина вскрыши может быть слишком большой для рациональной добычи горной породы.

• Запасы песка и гравия

Основными источниками песка и гравия, пригодных для производства заполнителей, являются гляциофлювиальные, речные и русловые отложения. Песчано-гравийные залежи широко распространены по всему региону. На севере региона большая часть щебня перекрыта мелкозернистыми отложениями. Щебень почти полностью отсутствует в каменноугольном бассейне штата Иллинойс. Щебень из реки Миссури может быть загрязнен опасными минералами из подстилающей материнской породы, состоящей из мягкого песчаника и сланца. Щебень, залегающий в районе Великих озер, а также залежи щебня, разбросанные по все территории региона, могут иметь в составе минералы, ограничивающие использование такого щебня в определенных областях применения.

8. Северо-Восточные регионы, подвергшиеся воздействию ледников, и верхняя возвышенность

• Топография

Цепи холмов и невысокие горы.

• Запасы щебня

Материнская порода сложена в основном гранитом, сиенитом, анортозитом и другими интрузивными магматическими породами, и метаморфизованными осадочными горными породами, состоящими из гнейса, кристаллического сланца, кварцита, глинистого сланца и мрамора. Большинство видов магматических горных пород пригодны для производства щебня. Характеристики метаморфических пород сильно различаются, причем кристаллический и глинистый сланцы как правило имеют недостаточную прочность, и их форма не подходит для производства щебня.

• Запасы песка и гравия

Русловые, речные и гляциофлювиальные отложения присутствуют в большинстве долин и других низменностях. На некоторых участках рыхлые отложения состоят из глины и ила, отложившихся в озерах во время таяния внутренних ледниковых покровов. Основными источниками песка и гравия хорошего качества являются гляциофлювиальные, русловые и речные отложения.

9. Цель горных хребтов и массивов Блу-ридж и плато Пидмонт

• Топография

Данный регион отличается разнообразием топографии и характеризуется наличием низких округлых холмов, гряд гор и длинных горных хребтов. В этом регионе, к востоку от реки Миссисипи, находятся самые высокие горные вершины.

• Запасы щебня

Материнская порода состоит из магматической и метаморфизованной осадочной горной породой и горной породой вулканического происхождения, сложенных в основном гранитом, гнейсом, кристаллическими и глинистыми сланцами, кварцитами, мрамором и филлитом. Гранит и гнейс обычно используются для производства щебня, тогда как сланцы и филлит обычно не используются для этой цели. В целом потенциальные запасы сырья для производства высококачественного щебня имеются.

• Запасы песка и гравия

Горы окружены относительно узкими равнинами, по которым протекают реки с низким уклоном. Поверхность суши подстилается сапролитом, представляющим собой неконсолидированную кристаллическую породу, содержащую каолинит и другие глинообразующие минералы и образовавшуюся в основном в результате химического выветривания подстилающей горной породы. Под равнинами залегает относительно тонкий, незначительно сортированный слой аллювия. Источником песка и гравия на территории региона являются русловые и речные отложения. Проблемы, связанные с качеством, обычно ограничиваются определенными местами залегания.

10. Приатлантическая низменность и прибрежная равнина мексиканского залива

• Топография

Топография данного региона варьируется от низкого побережья с обширными участками заболоченной местности и болот, расположенного практически на уровне моря, до холмистого плоскогорья, расположенного поблизости континентальной окраины региона.

• Запасы щебня

В целом, на территории прибрежной равнины Мексиканского залива консолидированные подстилающие горные породы труднодоступны, за исключением участков возле континентальной границы региона и на юго-востоке штата Флорида, подстилаемых слабосцементированными известняками, использование которых в качестве заполнителей остается ограниченным.

• Запасы песка и гравия

В регионе встречаются обширные залежи песка, илистого грунта, глины и гравия среднеплотного сложения, причем преобладающим поверхностным материалом является песок. Большинство залежей гравия встречаются вдоль континентальной границы прибрежной равнины и представляют собой речные и русловые отложения. Указанные залежи имеют ограниченную распространенность и являются основным источником природных заполнителей в регионе. По всему региону разбросаны изолированные залежи берегового галечника и аллювиального гравия. Качество гравия определяется материнской породой. Гравий, встречающийся на территории Приатлантической низменности, как правило, содержит в больших количествах кварц и другие кремнеземные минералы, в то время как на прибрежной равнине Мексиканского залива распространен известковистый гравий. Ресурсы крупнозернистых материалов настолько ограничены в этом регионе, что гравий повсеместно заменяется ракушечником. Песок и гравий встречаются в некоторых частях береговой линии Миссисипи в виде изолированных террас. Песок и гравий также встречаются на глубине под аллювиальными глинами в пойме реки Миссисипи.

11. Аляска

• Топография

Этот регион характеризуется сложным рельефом, слагающимся из береговых равнин, горных цепей и межгорных плато.

• Запасы щебня

В регионе выявлена разнообразная группа горных пород. Ядро основных горных хребтов составляют магматические и метаморфические горные породы, которые перекрываются и окружены со всех сторон осадочными и магматическими горными породами. Осадочные горные породы слагаются карбонатными горными породами, песчаниками и глинистыми сланцами.

• Запасы песка и гравия

Примерно половина территории региона, включая горные массивы и прилегающие части низменных равнин, была покрыта ледниками. Гляциофлювиальные отложения в указанных районах, как правило, содержат песок и гравий. На межгорных плато песок и гравий добывают в большинстве случаев вдоль русел рек, в местах речных отложений и в местах складирования хвостов отмывки золотодобывающих предприятий. Арктическая прибрежная равнина слагается из ила, песка и гравия, причем в северо-восточной части потенциал для добычи песка и гравия — от среднего до высокого. Большая часть сырья для производства заполнителей залегает в мерзлом грунте, и требует для выемки проведения буровзрывных работ.

12. Гавайские острова

• Топография

Цепочка Гавайский островов возникла в результате вулканической активности одного или нескольких вулканических центров. Острова имеют холмистый рельеф, сформировавшийся в результате эрозии. Для данного региона характерны долины, врезанные в скопления изверженного вулканического материала, и относительно узкие долины вдоль некоторых участков побережья.

• Запасы щебня

Каждый Гавайский остров образован застывшими потоками лавы. В качестве источника щебня повсеместно используются застывшие потоки андезита и базальта. Кроме того, в качестве заполнителя также используется шлак с шлаковых конусов и пепел с пепловых конусов.

• Запасы песка и гравия

В некоторых районах аллювий на речных террасах древней и современной формации, а также аллювиальные конусы выноса содержат плохо сортированный песок и гравий разного качества. В прибрежных районах тонкий слой фрагментов кораллов и раковин, вулканического мусора и глины образуют прерывистые пляжевые отложения, которые можно использовать в качестве заполнителя, если они соответствуют требуемым характеристикам.

Передает Информационный портал Заполнители