Карбонатные породы формируются в результате осадконакопления, диагенеза и метаморфизма, охватывая временной диапазон от кембрия (540 млн лет назад) до современности. Минералогический состав определяет физико-механические свойства породы и её пригодность для промышленного использования, а кристаллическая структура карбонатных минералов обуславливает поведение материала при механической обработке.
Происхождение: осадочные и метаморфические типы
Органогенный известняк образуется из скоплений раковин морских организмов — моллюсков, брахиопод, фораминифер — в тёплых мелководных бассейнах палеозойской и мезозойской эр. Скорость осадконакопления составляет 0,5–2,0 мм за тысячу лет. Карбонат кальция CaCO₃ осаждается из морской воды при фотосинтезе планктона, связывающего CO₂ и высвобождающего ионы Ca²⁺ для кристаллизации. Текстура органогенного известняка биоморфная: сохраняются отпечатки раковин размером 2–50 мм, пористость достигает 15–25%.
Хемогенный известняк формируется через прямое химическое осаждение карбоната кальция из пересыщенных растворов при испарении воды в замкнутых лагунах. Кристаллы кальцита размером 0,01–0,1 мм образуют микрокристаллическую структуру с пористостью 5–12%. Плотность хемогенных известняков 2500–2700 кг/м³, прочность на сжатие 80–120 МПа. Месторождения хемогенных известняков распространены в регионах с аридным климатом: Прикаспийская низменность, Средняя Азия.
Обломочный известняк состоит из угловатых фрагментов разрушенных карбонатных пород размером 0,1–10 мм, сцементированных кальцитовым цементом. Текстура брекчиевидная или конгломератовидная в зависимости от степени окатанности обломков. Пористость 10–18%, плотность 2300–2500 кг/м³. Обломочные известняки формируются в прибрежных зонах при размыве древних карбонатных толщ, типичны для девонских и каменноугольных отложений Русской платформы.
Метаморфические карбонатные породы — мраморы — образуются при региональном или контактовом метаморфизме известняков под воздействием температуры 400–600°C и давления 200–500 МПа. Кристаллическая решётка кальцита перестраивается, размер кристаллов увеличивается с 0,01–0,1 мм до 0,5–5,0 мм. Текстура становится равномернозернистой, пористость снижается до 0,5–2,0%, плотность возрастает до 2700–2750 кг/м³. Прочность мрамора достигает 100–150 МПа, твёрдость по шкале Мооса 3,0–3,5.
Геологическое происхождение определяет минералогическую чистоту породы. Органогенные известняки содержат 88–94% CaCO₃, остальное — примеси кремнезёма SiO₂ (2–5%), глинозёма Al₂O₃ (1–3%), оксидов железа Fe₂O₃ (0,5–2,0%). Хемогенные известняки более чистые: CaCO₃ 95–98%, примесей менее 2%. Мраморы достигают 98–99,5% CaCO₃ благодаря выносу примесей флюидами при метаморфизме.
| Название породы | Содержание кальцита (CaCO₃) | Содержание доломита (CaMg(CO₃)₂) |
| Известняк чистый | 95 – 100% | 0 – 5% |
| Известняк доломитизированный | 75 – 95% | 5 – 25% |
| Доломит известковистый | 25 – 75% | 25 – 75% |
| Доломит чистый | 0 – 25% | 75 – 100% |
Физико-химические свойства основных минералов
Кальцит CaCO₃ кристаллизуется в тригональной сингонии, пространственная группа R3̅c. Элементарная ячейка содержит два иона Ca²⁺, два иона CO₃²⁻, параметры решётки: a = 4,99 Å, c = 17,06 Å. Кристаллическая структура характеризуется слоистой упаковкой карбонатных групп, перпендикулярных оси c. Спайность совершенная по ромбоэдру {10̅14}, что определяет раскалывание кристаллов на ромбоэдрические обломки при механическом воздействии.
Твёрдость кальцита по шкале Мооса составляет 3,0. Минерал царапается медной монетой (твёрдость 3,0–3,5) и царапает гипс (твёрдость 2,0). Микротвёрдость по Виккерсу HV = 130–170 при нагрузке 100 грамм. Плотность кальцита 2710 кг/м³, показатель преломления ne = 1,486, no = 1,658 (двупреломление Δn = 0,172). Растворимость в воде при 25°C составляет 14 мг/л, в присутствии CO₂ возрастает до 400–600 мг/л из-за образования гидрокарбоната Ca(HCO₃)₂.
Доломит CaMg(CO₃)₂ кристаллизуется в тригональной сингонии, пространственная группа R3̅. Параметры ячейки: a = 4,81 Å, c = 16,01 Å. Кристаллическая структура упорядоченная: слои Ca²⁺ и Mg²⁺ чередуются вдоль оси c, что повышает энергию решётки по сравнению с кальцитом. Спайность совершенная по {10̅14}, угол ромбоэдра 73°45′ против 74°55′ у кальцита, что позволяет различать минералы по форме кристаллов.
Твёрдость доломита 3,5–4,0 по Моосу, микротвёрдость HV = 200–240. Плотность 2850 кг/м³, показатель преломления ne = 1,500, no = 1,681 (Δn = 0,181). Растворимость в воде 32 мг/л при 25°C, в присутствии CO₂ — 250–350 мг/л. Доломит более стоек к химическому выветриванию: скорость растворения в слабокислых растворах (pH = 5,0) в 2,5–3,0 раза ниже, чем у кальцита, благодаря присутствию магния, затрудняющего диффузию ионов H⁺ в решётку.
Арагонит CaCO₃ — полиморфная модификация карбоната кальция, стабильная при давлениях выше 3000 бар или температурах ниже 30°C в присутствии Sr²⁺ или Ba²⁺. Кристаллизуется в ромбической сингонии, пространственная группа Pmcn. Параметры ячейки: a = 4,96 Å, b = 7,97 Å, c = 5,74 Å. Плотность 2930 кг/м³ на 8% выше кальцита из-за более плотной упаковки ионов. Твёрдость 3,5–4,0 по Моосу, спайность несовершенная по {010}.
| Порода | Доминирующий минерал | Твёрдость по Моосу |
| Органогенный известняк | Кальцит | 3 |
| Доломит (порода) | Доломит | 3,5–4,0 |
| Мрамор | Кальцит (зернистый) | 3,0–3,5 |
Спайность минералов определяет поведение при дроблении. Кальцит раскалывается по трём направлениям спайности {10̅14}, образуя ромбоэдрические обломки с углами 78° и 102°. Доломит даёт более кубовидные зёрна благодаря углу спайности 73°45′, близкому к 90°. Арагонит без совершенной спайности дробится на угловатые осколки неправильной формы. Лещадность отсевов коррелирует с типом минерала: кальцитовые 18–25%, доломитовые 12–18%, арагонитовые 22–30%.
Оптические свойства используются для диагностики минералов в петрографических шлифах. Кальцит в скрещенных николях микроскопа показывает высокое двупреломление с интерференционными цветами высших порядков (розовый, зелёный), доломит — аналогичные цвета с чуть меньшей интенсивностью. Арагонит диагностируется по прямому угасанию и псевдогексагональным двойникам прорастания.
Комплексы для выпуска строительных материалов применяют различные режимы дробления в зависимости от твёрдости минерала: для кальцита достаточно щековых дробилок с усилием 80–100 кН, для доломита требуются 120–150 кН, для арагонита — конусные дробилки с усилием до 200 кН. Базовые виды сырья для фасадных блоков отбираются по минералогическому составу: предпочтительны мономинеральные известняки (CaCO₃ > 95%) и доломиты (CaMg(CO₃)₂ > 90%) без примесей глинистых минералов и сульфатов.
Для достижения высоких прочностных характеристик базовые виды сырья для фасадного кирпича отбираются по принципу минералогической чистоты (отсутствие глинистых примесей и сульфатов).
