Известняк и то, что из него получается, окружает человека всю жизнь. Большинство людей даже не задумывается над этим фактом, хотя штукатурка на стене — производное этой горной породы. Формула известняка очень проста, это обычный карбонат кальция CaCO₃, но рассказать о нем можно куда больше, причем информация эта касается не столько химии, сколько геологии и биологии.
Летопись ушедших эпох
Прежде чем говорить о том, что такое известняк, стоит рассказать о кальции, его основе. Этот элемент — пятый по распространенности на Земле и его доля в земной коре немногим больше 3%. Но именно его круговорот в природе играл и играет свою роль при образовании известняка.
В природе существует так называемое карбонатное равновесие, выражаемое уравнением:
CaCO₃+H₂O+CO₂=Ca (HCO₃) ₂+Ca² ⁺+ 2HCO₃⁻
Это состояние имеет перевес в ту или другую сторону в зависимости от содержания углекислого газа, растворенного в воде. Чем его больше, тем больше равновесие смещается вправо, и наоборот. Немалую роль в этом процессе играют живые организмы, особенно со времен кислородной катастрофы.
Цианобактериальные маты и строматолиты
Жизнь зародилась на земле в анаэробных условиях. Свободного кислорода в атмосфере Земли не было; возможно, первичный состав газов представлял собой смесь водорода и гелия. По мере активизации вулканизма первичная атмосфера была заменена вторичной, состоящей из углекислого газа, метана и аммиака, а возможно — и водяного пара.
Жизнь зародилась в воде и при такой восстановительной атмосфере окислять металл было нечем. Первыми живыми клеточными организмами стали бактерии, многие из которых образовывали колонии. Эти колонии представляли собой слои из нескольких разных видов, причем верхние из них поглощали минеральные вещества, средние перерабатывали органику, а нижние питались остатками средних слоев, выделяя в виде отходов карбонат кальция.
Эти колонии получили название цианобактериальных матов (оно дано по названию семейства бактерий), а тот продукт, который получался в итоге жизнедеятельности колонии — строматолитом.
Когда один из видов одноклеточных водорослей в результате мутации стал фотосинтезировать, в воде появился свободный кислород. Позже, когда на дне было окислено все, что можно, он стал распространяться в атмосфере, вытесняя другие газы и окисляя поверхность. Это произвело коренной перелом в формах жизни. Развитие получили аэробные организмы, а анаэробные остались в «карманах», куда доступ свободного кислорода был ограничен.
Равновесие сменилось в сторону образования карбоната кальция и он стал интенсивнее откладываться на дно.
Раковины, скелеты и скелетики
Значение кальция в жизни живых организмов не уменьшилось, а увеличилось. Это связано с разнообразием функций этого элемента. К числу важнейших можно отнести следующие:
- образование экзоскелетов у простейших, губок, кораллов, моллюсков, причем скелеты эти состоят из карбоната кальция;
- внутренний скелет позвоночных состоит из гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂;
- регулирование свертываемости крови, мышечных сокращений и экзоцитоза.
Все формы жизни, существовавшие в океане до выхода на сушу, после смерти оказывались на дне. От них оставался лишь кальциевый скелет, и многочисленные наслоения карбоната кальция для палеонтологов представляют огромную ценность, а часто — единственный источник информации о прошедших геологических эпохах. В процессе образования донного «слоеного пирога» принимал участие и растворенный в воде карбонат кальция — разложение CaCO₃ все время происходит на глубоководных участках, где почти нет кислорода. Со временем вся эта масса превращается в кальцит — самую распространенную модификацию CaCO₃.
Если обратить внимание на структуру известняка, то она имеет слоистый характер. Слои эти относятся к разному времени и представляют собой своеобразную шкалу, по которой ориентируются и биологи, и геологи. Во всяком случае, геологические эпохи маркируются именно по этим данным.
И в воде, и на суше со скелетом умершего организма происходят некоторые модификации, приводящие к образованию фоссилии — окаменелости. Роль карбоната здесь трудно переоценить. Именно им в большинстве случаев заполняются пустоты после разложения органики в костях, а карбонат-ионы замещают фосфатные. Таким путем получаются те скелеты, которые стоят в палеонтологических музеях и коллекциях.
Образование известняка в море происходит до сих пор. Это своеобразный маркер океанической земной коры. Если при бурении шурфа встречаются пласты известняка, это свидетельствует о том, что эта территория когда-то была морем. Там, где известнякового пласта нет, всегда была суша. Континентальная кора покрыта гранитом.
Тектонические процессы и горообразование
На поверхности суши известняк оказывается в процессе поднятия участков бывшего морского дна. Связано это с передвижением литосферных плит, их коллизией, когда одна плита заходит под другую. Над зоной субдукции формируется складчатость, она выходит из воды и поднимается все выше. Гималаи — следствие захода индо-австралийской плиты под евразийскую, а дальневосточные хребты сформировались при коллизии североамериканской и евразийской плит.
Более древние участки складчатости — герцинской — сейчас уже старые горы. К ним можно отнести Урал, Аппалачи, Саяны, Алтай. Эти горы поднялись еще в палеозое. Образование гор альпийской складчатости относится к мезозою и раннему палеогену; эти горы еще молодые.
Интересно то, что известняковые отложения на Большом Кавказе представлены на его периферии. В центре массива на поверхность выходят древние гранит и базальт, а ближе к морю слоистая структура известняка оказалась повернутой, иногда сильно, на 90 градусов.
Известняком представлена самая высокая гора в мире, Эверест. Осадочными породами, в том числе известняком, сложен южный склон Гималаев, а центральные части, напротив, состоят главным образом из магматических и метаморфических пород.
Классификация известняков
Несмотря на то, что известняк имеет одну кальцитовую основу, его структура может существенно отличаться в разных областях. Это может касаться таких особенностей, как:
- цвет;
- условия залегания;
- наличие включений в структуре.
Сам по себе кальцит имеет белый цвет, но примеси делают известняк желтым, серым, розоватым, иногда почти черным, хотя химический состав известняка при этом довольно однороден. Залегать он может сплошными массивами и в виде плитняка — все зависит от истории места, где находится конкретный пласт. Разные виды породы могут иметь различные механические и физические свойства, что обусловлено наличием пустот. По этому критерию выделяют известняки сильнопористые, мелкопористые и плотные. По виду организмов, сформировавших породу, их делят на:
- ракушечники, составленные из раковин моллюсков;
- нуммулитовые, образовавшиеся из остатков простейших фораминифер;
- мшанковые, получившиеся из останков морских беспозвоночных.
По мере того как пласты известняка подвергаются давлению вышележащих слоев, они метаморфизируются. При этом они приобретают более плотную структуру, происходит постепенная перекристаллизация, и образуется мрамор.
Известняки, в образовании которых большую роль играло осаждение непосредственно карбоната кальция (более 50%), называются хемогенными. К таким относятся в первую очередь оолитовые известняки. По мере нахождения на суше порода подвергается разрушению и выветриванию. Это приводит к образованию обломочных залежей и карстов, при этом среди известняковых обломков в одном месте могут находиться фрагменты разного геологического возраста.
При описании конкретного массива этой породы всегда указывают на какую-то особенность. Это может быть примесь, например «железистый известняк», характер отложений («ракушечник», «нуммулит»), структура («оолитовый сильнопористый», «мел»), возраст («кембрийские слои», «триас»).
Получение извести и штукатурные работы
О переработке известняка на известь известно давно. Наверное, это старейшее вяжущее вещество в мире, созданное человеком. Ее получение — сравнительно простой процесс, как и все последующие.
Химическая формула известняка CaCO₃ и, по сути, молекула кальцита состоит из двух частей: оксида кальция и углекислого газа. Чтобы их разделить, известняк нужно перемолоть и хорошо нагреть:
CaCO₃=CaO+CO₂
Полученный белый порошок называется негашеной известью, или же кипелкой. При растворении ее в воде образуется гидроксид кальция или гашеная известь:
CaO+H₂O=Ca (OH)₂
Полученное известковое тесто разводят с песком, получая штукатурный раствор. После его нанесения на стену известь начинает схватываться. Процесс этот постепенный, происходит с выделением теплоты и водяного пара. Из атмосферы штукатурка забирает углекислый газ:
Ca (OH)₂+ CO₂=CaCO₃+ H₂O
Таким образом, связующим звеном в штукатурном слое опять оказывается карбонат кальция. Все вернулось на круги своя.
В целом виде (плиты) известняк массово применяется при отделочных работах, в виде щебня — при производстве бетона. Он легче, чем гранит: плотность этой горной породы составляет 2,6 т/м³. По своей прочности он уступает другим материалам, она едва достигает 41 МПа, причем во влажном состоянии этот показатель уменьшается до 35 МПа. Зато радиацию известняк не пропускает и применять в жилых помещениях этот материал можно и даже нужно: редко какой камень способен так хорошо поддерживать оптимальный микроклимат в доме.
