石灰岩

石灰岩（Limestone）是一种以方解石为主要矿物的沉积碳酸盐岩。它主要由碳酸钙（CaCO3）组成，呈微粒状晶体形态，常呈现偏三角面体和菱面体，颜色为浅灰色或青灰色。石灰岩是通过河流将大陆上大量的钙质（主要是重碳酸盐Ca（HCO3）2）带到海中，在一定的物理化学条件下转变为碳酸钙，并大量在海底沉淀形成石灰岩矿床。它是烧制石灰和水泥的主要原料，同时在冶金工业中也用作熔剂。此外，色彩花纹美丽的石灰岩还可以用于装饰石材。^{[3][2][1][4][5]}

石灰岩是分布最广、储藏量最大、应用历史最悠久、消耗量最大的工业岩石原料之一，石灰石是它的商业名称。^[3][1]

纯质石灰岩的化学成分接近于方解石的理论组成（CaCO3），呈白色，但是石灰岩常常含有不同的杂质，所以它们通常表现出不同的颜色。^[4][6]天然石灰岩常含有SiO2、AlO3、MgO、TiO2、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O、P2O5、FeS、SO3、H2O等杂质。不同产地、不同层位的石灰岩的成分往往具有较大差异。^[3]

石灰岩的主要物理性质：

密度2.41～2.83g/cm3；^[3]

视孔隙度0.7%～6.0%；^[3]

抗压强度108.9～196.5MPa；^[3]

冲击断裂模量5.5～17.2MPa；^[3]

坚韧度0.8～2.6cm/cm2；^[3]

莫氏硬度3～4。^[2]

石灰石的化学成分主要是碳酸钙(CaCO3)，通常以微粒状的方解石呈现。这种晶体形态复杂，常呈偏三角面体和菱面体，颜色多为浅灰色或青灰色。石灰石可以呈现出致密的块状、粒状、结核状以及多孔结构状。^[2]

从结构上来看，石灰岩主要由颗粒、泥、胶结物、晶粒、生物格架5种结构组分组成。^[7]

石灰岩的形成是通过河流将大陆上大量的钙质（主要是重碳酸盐Ca（HCO3）2）带到海中，在一定的物理化学条件下转变为碳酸钙，并大量在海底沉淀形成石灰岩矿床。这些矿床主要形成于海水较浅、气候温暖、适合动物和植物群生长的环境下。^[5][8]碳酸钙从海水中沉淀出来的机械作用，既有化学成因，也有生物成因，其基本反应原理如下：

化学成因：Ca（HCO3）2=CaCO3+H2O+CO2

生物成因：Ca（HCO3）2+2NH4OH=CaCO3+（NH4）2CO3+2H2O^[5][注1]

碳酸盐岩的形成作用随着地质历史演变也有不同。在前寒武纪，碳酸盐岩主要是由海水的直接化学沉淀和藻类的生物化学作用所形成的。到了寒武纪以后，海水由酸性变为碱性，介壳生物逐渐繁盛，生物成因的碳酸盐岩逐渐超过了化学或生物化学成因的碳酸盐岩，因机械作用或重力作用形成的碳酸盐岩也占有相当大的比例。^[7]

石灰岩在自然界中通常形成于海洋盆地或陆地湖泊，在地球上广泛分布。海相沉积岩系中的石灰岩呈层状或似层状，规模大，层位及厚度稳定，成分一般比较均匀，因此具有工业开采价值。而湖相沉积岩系中的石灰岩多以透镜状、似层状产出，规模一般不大，分布较局限，成分通常不均匀，因此工业利用价值不大。^[3]

中国华北地区的石灰岩主要形成于寒武纪和奥陶纪时期，而东北地区则以寒武纪、奥陶纪、石炭纪和二叠纪为主要产区。华南地区的石灰岩主要形成于石炭纪、二叠纪和中生代早期。湖北、广东、广西、福建和江苏南部地区发育了中上泥盆系石灰岩。此外，辽宁、内蒙古和山东前寒武纪变质岩系中的白云岩以及华北奥陶纪、中南地区石炭—二叠纪、西南地区三叠纪的白云岩也具有工业价值。^[3]

对石灰岩的分类分类方法主要是依据化学成分进行分类（多被化工部门采用）以及依据结构多级分类（多被地质、石油等部分采用）。^[9]对石灰岩结构分类具有代表性的主要有福克分类、邓哈姆分类以及中国学者冯增昭提出的结构-成因分类。^[9][7]

福克根据异化颗粒、泥晶基质、亮晶胶结物为三角图的三端元组分将石灰岩分类为亮晶异化石灰岩（Ⅰ类）、微晶异化石灰岩（Ⅱ类）、微晶石灰岩（Ⅲ类）。^[7][9]

福克把亮晶异化石灰岩（Ⅰ类）和微晶异化石灰岩（Ⅱ类）称为异常化学岩，把微晶石灰岩（Ⅲ类）称为正常化学岩。此外，福克还把由生物格架所组成的礁石灰岩称为生物岩，这是福克分类中的第Ⅳ类石灰岩。在这四个主要石灰岩类型的基础上，福克又根据异化颗粒的类型及其他特征，把石灰岩再细分为11个类型（图2）。

根据异化颗粒、微晶方解石泥、亮晶方解石胶结物在岩石中的相对百分含量，尤其是微晶方解石泥及亮晶方解石胶结物的相对含量，福克仿照碎屑岩的结构成熟度的概念，提出了石灰岩的成熟度的概念（图3）。^[7]

邓哈姆以颗粒和泥晶（或灰泥）为两端元组分将石灰岩分为4类，即颗粒岩（grainstone）、泥质颗粒岩（泥粒岩）（packstone）、颗粒质泥岩（粒泥岩）（wackestone）、泥岩（mudstone）。^[7][9]

冯增昭首先把石灰岩划分为3个大的结构类型，即颗粒—灰泥石灰岩、晶粒石灰岩、生物格架石灰岩（礁石灰岩）。这是石灰岩最基本的和最通用的分类。

根据颗粒和灰泥的相对百分含量，把颗粒—灰泥石灰岩划分为两个类型，即颗粒石灰岩和灰泥石灰岩；然后又进一步划分可以把颗粒—灰泥石灰岩划分为6个岩石类型（六分方法，图4）或4个岩石类型（四分方法，图5）。也可根据颗粒的含量，把颗粒—灰泥石灰岩划分为4个岩石类型，即颗粒石灰岩、颗粒质石灰岩、含颗粒的石灰岩、无颗粒的石灰岩（即灰泥石灰岩）。

晶粒石灰岩基本上全由晶粒组成，根据晶粒的粗细，可进一步划分为粗晶石灰岩、中晶石灰岩、细晶石灰岩、粉晶石灰岩、泥晶石灰岩等。

生物格架石灰岩，可以根据两种生物格架类型划分为生物骨骼格架石灰岩和生物黏结格架石灰岩。^[7]

内碎屑灰岩中的碎屑可以有大到漂砾级、小到粉屑级的大小，它们的填隙物可能是灰泥杂基或亮晶胶结物，或者两者都有。

内碎屑的圆度会因为搬运和磨蚀程度的不同而有所不同。例如潮上砾片石灰岩或礁前塌砾石灰岩通常呈现出棱角状的碎屑；而在浅水波浪环境下形成的内碎屑灰岩则具有很好的磨圆度；风成沙丘或海滩砂石灰岩的磨圆度则特别好。^[7]

鲕粒灰岩中，鲕ér粒的含量超过50%。由于填隙物的不同性质，这类岩石可以分为亮晶鲕粒灰岩和灰泥鲕粒灰岩两种类型。

鲕粒灰岩通常形成于温暖、浅水、中等搅动的环境中，常常出现在水下浅滩、潮汐砂坝或潮汐三角洲地区。此外，放射状静水鲕产于咸化潟湖和盐湖中。^[7]

常见的球粒灰岩包括泥晶球粒灰岩、亮晶球粒灰岩和泥晶似球粒灰岩等。这些岩石主要形成于低能量到中等能量的环境中，例如广阔的潮坪和相邻的潟xì湖。在中国南方的泥盆系和三叠系地层中，球粒灰岩广泛分布，通常局限于海洋和潮坪环境的产物。^[7]

化石碎屑是指在地质历史中被埋藏并经过长时间的压缩和化学作用后形成的，通常由破碎或解体的较大的钙质介壳屑和较小的完整介壳组成。这些碎屑通常具有较干净的亮晶方解石胶结。

大规模出现亮晶化石碎屑灰岩通常与潮间和潮下的介壳滩堆积有关。中国海南三亚湾就有亮晶胶结的生物砂海滩岩。^[7]

泥晶化石碎屑灰岩是由生物介壳或介屑埋置于灰泥杂基中而形成的。在礁体的隐蔽部分和礁后潟湖中，也常见各种泥晶化石碎屑灰岩。这些化石(碎屑)可以来自介形虫、有孔虫、软体动物、绿藻类以及枝状层孔虫等多种生物。^[7][9]

白垩是一种细粒白色疏松多孔易碎的的化石泥晶石灰岩，它的成分非常纯净，其中碳酸钙含量高达90%以上，主要杂质是蒙脱石和伊利石。

大部分的白垩都是由颗石藻组成的，含量高达80%。此外，还有少量的软体动物、棘皮类、苔藓虫和有孔虫的碎屑，以及多刺的钙球。白垩生成于温暖海洋环境，沉积深度从几十米到几百米。^[7][9]

抱球虫软泥主要分布在远离大陆和岛屿的中等深度海洋中。这些海域通常有暖流和丰富的微生物，因此抱球虫软泥在这里最为发育。它是所有现代深海沉积物中分布最广的一种软泥。

抱球虫软泥主要由大量的抱球虫介壳组成，此外还有浮游的翼足类和钙藻等生物。^[7]

泥晶石灰岩或微晶石灰岩由泥晶方解石构成，有时也被称为泥屑石灰岩或灰泥石灰岩。这种岩石的颗粒含量很低，通常不超过10%。然而，它与含颗粒较多的灰泥石灰岩(颗粒含量大于10%)逐渐过渡。^[7]

石灰岩通常具有薄的波状层或断续透镜体，有些则呈现出不规则、界限模糊的较纯石灰岩结核。这些结核常常夹在钙质或白云质页岩之间。结核周围常常有旋涡状的黏土杂基环绕，这是一种典型的成岩构造特征。

结核状石灰岩的形成可能有多种原因，包括深水海底周期性底流作用、沉积成岩作用和压溶成因等。^[7][10]

生物格架石灰岩包括骨骼格架石灰岩（或生物礁灰岩）［图12的a、b］、生物黏结格架石灰岩［图13的c、d］以及障积石灰岩。

骨骼格架石灰岩是一种由碳酸盐生物构筑的岩石类型，用于制造骨架。这些生物形成的骨架构成了岩石主体，并通过黏结作用固定在海底上，形成了坚硬、具有抗浪性的碳酸盐岩礁。

黏结格架石灰岩主要由分泌黏液的藻类(如蓝藻和绿藻)形成。这些藻类分泌碳酸盐，将颗粒物质沉淀、捕集并黏结在一起，形成了这种特殊的岩石。根据隐藻黏结作用的组构特征，隐藻黏结石灰岩可以分为层纹石灰岩、叠层石灰岩和凝块石灰岩三大类。

障积石灰岩又称为滞积石灰岩或栅积石灰岩，是由原地生长的带根茎的生物阻挡沉积物(主要是灰泥)而形成的。这些生物通过阻挡作用将沉积物截获堆积起来，最终形成了这种独特的石灰岩类型。^[7][9]

晶粒石灰岩基本上由方解石晶粒组成。根据其晶粒大小的不同，可以将其划分为不同类型。较粗的晶粒石灰岩通常是重结晶作用或交代作用的产物。^[7]

石灰岩高温煅烧后可以反应生产生石灰（CaO），生石灰加水后即水化为熟石灰（Ca（OH）2）。石灰在冶金、化工、环保、农业、建材等行业具有广泛用途。^[3]

石灰在炼钢中具有助熔和净化作用，可降低熔炼温度，有效清除P、Si、Al、S等有害组分。在铜精炼制中，石灰能起助熔剂的作用，并可吸收烟气中的SO2。^[3][11]

在硫酸盐纸浆生产中，石灰被用作苛化碳酸钠废水(黑色浆液)的处理剂，以回收可循环利用的氢氧化钠。石灰还可用于制造漂白剂次氯酸钙，以净化和去除废水中的色素。^[3]

石灰是一种重要的无机化合物生产原料，可以用于生产一磷酸钙、二磷酸钙和三磷酸钙、铬化合物等多种无机化合物。此外，石灰还可以用于净化食盐卤水、制备农药等工业领域。熟石灰则被广泛应用于颜料、水泥和油漆填料等领域。^[3]

石灰与纯碱混合使用，可以去除水中的碳酸氢盐，达到软化水质的目的。石灰还可用于污水的化学沉淀，调节pH值，除氮，吸附铁、锰和有机单宁酸等。石灰也可用来中和矿井酸水、洗煤厂酸性洗煤废水、钢铁厂酸性废水、制版厂废水、化工厂及制药厂废水、造纸厂废水等，并使废水脱色，使某些重金属离子沉淀。石灰可吸收烟气、氟fú（或氢氟酸）和其他酸性气体中的SO2，有效净化空气。^[3][12][13]

石灰在建筑地基施工、土坝加固、水渠、铁路路基、机场跑道、城市道路等方面都有广泛的应用。^[3][14][15]

石灰可以中和土壤酸性；制糖过程石灰乳浆可以提高糖汁的pH值，促使磷酸和有机酸化合物的胶状杂质沉淀；石灰还能有效吸附CO2，保持果疏新鲜，减少腐烂。^[3]

石灰石与黏土质原料、硅质原料和铁质原料混合，经高温煅烧，可以生成碳酸盐水泥。^[3][16][17]

在黑色和有色金属冶炼过程中，石灰岩作为一种熔剂直接参与到熔炼中。它不仅可以降低体系的熔融温度，还可以与矿石中的杂质、燃料中的灰分等有害组分结合形成炉渣并将其排除。^[3]

石灰岩可以用于生产电石、漂白粉、肥料等，重质碳酸钙（CaO＞54%，粒度10μm级）也可作为涂料、橡胶、造纸等工业的填料。^[3]

石灰岩在建筑领域中应用广泛，作为砌块、装饰材料、混凝土骨料、沥青骨料以及铁路道渣等基本材料使用历史悠久，且用量最大。此外，石灰岩还是生产玻璃和陶瓷的重要配料之一。^[3]

石灰岩在各工业领域中的主要应用如下表所示。^[2]

对石灰石的加工主要包括石灰石的粉碎、分级，并通过生产生石灰、熟石灰、沉淀碳酸钙、超微细(纳米)碳酸钙以及二氧化碳等产品。^[2]

石灰石一般采用干式粉碎工艺，对于冶金和道路用石灰石，只需将矿石破碎并筛分即可。而对于细粉产品的生产，矿石需要经过颚式破碎机、锤式破碎机和反击式破碎机等设备的破碎处理，然后直接使用雷蒙磨或其他辊gǔn磨机将其粉碎到所需的粒度。^[2]

通过高温煅烧，石灰石中CaCO3分解为CaO和CO2，即可制得生石灰，将适量的水加入生石灰中，搅拌溶解后可以得到微细粉状物质，这就是熟石灰，其化学式为Ca(OH)2。^[2]石灰岩、生石灰及熟石灰的生产工艺流程如下图所示。^[3]

石灰石可用于制备普通轻质碳酸钙、超细和纳米碳酸钙，以及通过表面改性制备超细活性碳酸钙。^[2]

生产普通轻质碳酸钙的工艺流程如下图所示，生产超微细或纳米碳酸钙的方法有间歇鼓泡碳化法、连续喷雾碳化法和超重力法。^[2]

石灰岩的开采一般是采用露天开采，凹陷露天开采和地下开采的不多。开拓运输方法多采用公路开拓，箕斗—汽车联合运输开拓及平硐溜井开拓应用得较少。开采工艺主要包括穿孔、爆破、采装及工作面运输，采出的石灰岩一般块度较大，需要经过再次破碎。^[18]

石灰岩的开采过程中，如无提前预防，可能对环境造成破坏。例如开采过程产生的废石渣经过雨水冲刷会沿沟谷堆积，废石渣风化后产生养成，或是废石渣压占土地等“三废问题”。

开采过程也可能导致底薪地貌景观和生态环境的破坏，例如经过开采形成了高陡边坡，山岩裸露，山体自然景观被破坏，或者植被系统遭到严重破坏。同时废弃采场高陡边坡存在着崩塌隐患；废石渣、废石粉在沟谷堆积存在泥石流隐患；不合理地开采导致山体开裂、第四系孔隙含水层被摧毁，丧失水源涵养功能等地质灾害。^[19]