Портлендский камень: геология, образование и применение

Введение

Известняк, добываемый на острове Портленд, Дорсет, Англия.

Портлендский камень — это геологическое образование, состоящее из известняка (официально называемое Портлендским каменным образованием). Карьеры разрабатываются в пластах белого и серого известняка, разделенных прослоями кремня. Он широко использовался в качестве строительного материала по всей Британской империи, особенно в крупных общественных зданиях Лондона, таких как собор Святого Павла и Букингемский дворец. Портлендский камень также экспортируется во многие страны и используется, например, при строительстве штаб-квартиры Организации Объединенных Наций в Нью-Йорке.

Геология

Портландский камень образовался в морской среде, на дне мелкого, теплого, субтропического моря, вероятно, недалеко от суши (что подтверждается окаменелым древом, что не является редкостью). Когда морская вода нагревается солнцем, ее способность удерживать растворенный газ уменьшается; в результате растворенный углекислый газ (CO2) выделяется в атмосферу в виде газа. Ионы кальция и бикарбоната, содержащиеся в воде, затем могут соединяться, образуя карбонат кальция (CaCO3) в виде осадка. Процесс образования накипи в чайнике в районах с жесткой водой аналогичен. Карбонат кальция является основным компонентом большинства известняков. Миллиарды мельчайших кристаллов осажденного карбоната кальция (кальцита) накапливались, формируя известковую грязь (микрит), которая покрывала морское дно. Небольшие частицы песка или органического детрита, такие как фрагменты раковин, служили ядром, которое покрывалось слоями кальцита, когда они перекатывались в илистом микрите. Портландский камень имеет показатель 3,5 по шкале твердости минералов Мооса. Кальцит постепенно накапливался (путем аккреции) вокруг фрагментов раковин концентрическими слоями, образуя небольшие шарики (диаметром менее 0,5 мм). Этот процесс аналогичен тому, как растет снежный ком, когда его качают по снегу. Со временем бесчисленные миллиарды этих шариков, известных как "ооиды" или "оолиты" (от греческого слова, означающего "яйцевидный" или "яйце-камень"), частично цементировались (или литифицировались) дополнительным кальцитом, образуя оолитный известняк, называемый Портландским камнем. Степень цементации в Портландском камне такова, что камень достаточно хорошо сцементирован, чтобы противостоять выветриванию, но не настолько, чтобы его было трудно обрабатывать (резать и вырезать) каменщикам. Это одна из причин, по которой Портландский камень так ценится как монументальный и архитектурный камень. Джефф Таунсон провел трехлетнее докторское исследование Портлендиана, впервые описав фации пятнистых рифов и детали осадконакопления в масштабе всего Дорсета. Ян Уэст из Школы океанографии и наук о Земле Саутгемптонского университета провел подробную геологическую съемку карьера Витис Крофт перед началом разработки Portland Beds компанией Albion Stone plc. Промышленная добыча началась в начале 17 века с поставок в Лондон для банкетного зала Иниго Джонса. Выбор Портландского камня для нового собора Святого Павла стал большим стимулом для карьеров и закрепил за Портландом статус предпочтительного строительного камня Лондона. Остров был соединен железной дорогой с остальной страной в 1865 году. Albion Stone PLC занимается добычей и разработкой Портландского камня с 1984 года. Portland Stone Firms Ltd занимается добычей Портландского камня с 1994 года.

Portland stone formed in a marine environment, on the floor of a shallow, warm, sub tropical sea probably near land (as evidenced by fossilized driftwood, which is not uncommon). When seawater is warmed by the sun, its capacity to hold dissolved gas is reduced; consequently, dissolved carbon dioxide (CO2) is released into the atmosphere as a gas. Calcium and bicarbonate ions within the water are then able to combine, to form calcium carbonate (CaCO3) as a precipitate. The process of limescale build up in a kettle in hard water areas is similar. Calcium carbonate is the principal constituent of most limestones. Billions of minute crystals of precipitated calcium carbonate (called calcite) accumulated forming lime mud (called micrite) which covered the sea floor. Small particles of sand or organic detritus, such as shell fragments, formed a nucleus, which became coated with layers of calcite as they were rolled around in the muddy micrite. Portland stone measures 3.5 on the Mohs scale of mineral hardness. The calcite gradually accumulated (by accretion) around the fragments of shell in concentric layers, forming small balls (of less than 0.5 mm diameter). This process is similar to the way in which a snowball grows in size as it is rolled around in the snow. Over time, countless billions of these balls, known as "ooids" or "ooliths" (from the Greek for "egg shaped" or "egg stone"), became partially cemented together (or lithified) by more calcite, to form the oolitic limestone that is called Portland stone. The degree of cementation in Portland stone is such that the stone is sufficiently well cemented to allow it to resist weathering, but not so well cemented that it cannot be readily worked (cut and carved) by masons. This is one of the reasons why Portland stone is so favoured as a monumental and architectural stone. Geoff Townson conducted three years doctoral research on the Portlandian, being the first to describe the patch reef facies and Dorset wide sedimentation details. Ian West of the School of Ocean and Earth Sciences at Southampton University completed a detailed geological survey of Withies Croft Quarry before the Portland Beds were quarried by Albion Stone plc. Extraction as an industry began in the early 17th century, with shipments to London for Inigo Jones' Banqueting House. Wren's choice of Portland for the new St Paul's Cathedral was a great boost for the quarries and established Portland as London's choice of building stone. The island was connected by railway to the rest of the country from 1865. Albion Stone PLC has been quarrying and mining Portland stone since 1984. Portland Stone Firms Ltd have been quarrying Portland stone since 1994.

Каменоломни и шахты

Джорданс является частью карьера Инмостхей, расположенного в центре острова, который также включает пляж Фэнси. Разработка карьера ведется с конца XIX века. Albion Stone арендует южную часть у The Crown Estate и приобрела северную часть участка в 2006 году. Большая часть южных запасов находится под территорией местного крикетного клуба. Чтобы избежать нарушений на поверхности, компания подала заявку и получила разрешение на извлечение камня шахтным способом, а не открытым карьерным. Запасы на севере будут разрабатываться с использованием алмазных дисковых пил, гидромешков и тросовых пил для формирования блоков. Этот процесс позволяет избежать использования пыльных и шумных взрывов в качестве основного метода добычи, тем самым защищая окружающую среду, которая имеет статус объекта особого научного интереса (SSSI). Albion Stone PLC теперь добывает весь камень шахтным способом, что значительно снижает воздействие на окружающую среду и местных жителей. Шахта Джорданс в настоящее время является крупнейшей шахтой на Портленде. Карьер Бауэрса разрабатывается с конца XVIII века. Он арендуется у The Crown Estate с 1979 года, а в 2002 году стал местом расположения первой шахты по добыче портлендского камня компанией Albion Stone PLC. Добыча на этом участке теперь полностью подземная, с первоначальной шахтой Бауэрса в крайнем южном конце карьера и разработкой отработанных стен на восточной и юго-восточной границах. Разработка отработанных стен представляет собой серию небольших шахт, которые извлекают камень, который в противном случае был бы потерян, находящийся между бортами карьера и фактической границей участка. Шахта Стоунхиллс – первая полностью новая шахта на Портленде (не шахта как расширение существующего карьера). Albion Stone Plc начала процесс открытия этой шахты в 2015 году, и запасы, по оценкам, прослужат 50 лет (до 2066 года). Карьеры Индепендент и Эдмиралти принадлежат The Crown Estate и арендуются с 1982 года. Основным недействующим карьером остается карьер Тют, где базируется траст и ежегодно проводится мастерская. Карьер Тют был передан в дар Portland Sculpture and Quarry Trust компанией Portland Stone Firms Limited.

Jordans is part of the Inmosthay Quarry in the centre of the island, which also includes Fancy Beach. The quarry has been worked since the late 19th century. Albion Stone leases the southern section from The Crown Estate and purchased the northern part of the site in 2006. The majority of the southern reserves lie under the grounds of the local cricket club. To avoid disturbing the site at surface level, the company has applied and received permission to extract the stone using mining rather than quarrying techniques. The reserves to the north will be quarried using the diamond bladed cutting machines, hydro bags and wire saws to shape the blocks. This process avoids the use of dusty and noisy blasting as the primary extraction method, thereby protecting the surrounding environment, which has been designated as a Site of Special Scientific Interest (SSSI). Albion Stone PLC now extract all their stone through mining which dramatically reduces the impact on the environment and local residents. Jordan's Mine is currently the biggest mine on Portland. Bowers Quarry has been operational since the late 18th century. It has been leased from The Crown Estate since 1979, and in 2002 it became the site of the first Portland stone mine by Albion Stone PLC. Extraction from this site is now completely underground, with the original Bowers Mine in the extreme southern end of the quarry and the High Wall Extraction on the eastern and south east boundaries. High Wall Extraction is a series of small mines that extract otherwise wasted stone that sits between the final faces of the quarry and the actual boundary of the site. Stonehills Mine is the first completely new mine on Portland (not a mine as an extension from an existing quarry). Albion Stone Plc began the process to open this mine in 2015 and reserves are estimated to last for 50 years (2066). Independent Quarry and Admiralty Quarry are both owned by The Crown Estate and have been leased since 1982. The main non working quarry remains Tout Quarry in which the trust is based, where a workshop is held every year. Tout Quarry has been donated to the Portland Sculpture and Quarry Trust by Portland Stone Firms Limited.

Методы добычи

Традиционно под каждой скалой просверливали горизонтальные отверстия небольшого диаметра (35 мм) и заряжали небольшим количеством пороха, выбранного из-за его относительно нераскалывающих свойств. При взрыве порох создавал подъем, который вытеснял камень из его естественного залегания, желательно, без повреждений. Камень разрезали с помощью шпунтов и клиньев: вдоль линии разреза просверливали ряд коротких отверстий небольшого диаметра (обычно 30 мм). В каждое отверстие вставляли один шпунт и два клина, и поочередно ударяли по каждому шпунту кувалдой, пока камень не поддавался экстремальным растягивающим напряжениям. Большинство пород значительно слабее на растяжение, чем на сжатие, и метод шпунтов и клиньев использует этот факт. Важно также отметить, что камень легче раскалывается параллельно слоистости (так называемое зерно), чем перпендикулярно ей (так называемый скол). В 1999 году компания Albion Stone импортировала итальянское оборудование для резки камня, изначально разработанное для использования в мраморных карьерах Тосканы, и стала применять его для добычи портлендского камня. Эта новая технология устранила необходимость во взрывных работах, значительно улучшила экологические показатели карьеров и исключила возможность повреждения добываемого камня ударной волной. При определении положения и ориентации разрезов учитывается местная система трещиноватости. После выполнения разрезов камень аккуратно вытесняют гидравлическим способом, используя "гидромешки" – тонкие, плоские стальные мешки или оболочки, которые при наполнении водой под умеренным давлением создают силу, необходимую для ослабления камня до такой степени, чтобы его можно было легко извлечь с помощью больших колесных погрузчиков. Раскалывание камня пневматическими отбойниками – трудоемкий процесс, поэтому на карьерах были внедрены проволочные пилы, заменившие большую часть работы со шпунтами и клиньями.

Добыча полезных ископаемых

Добыча в Портленде ведется методом камер и столбов. Шахта разрабатывается путем извлечения камня абразивным цепным инструментом, установленным на машине. В верхней, нижней, боковых и центральной частях камня делаются прорези. Плоская стальная подушка вставляется в центральную прорезь и медленно надувается водой. Камни аккуратно отделяются с обратной стороны, без создания напряжения в получаемых блоках. Этот способ добычи значительно дороже взрывных работ, но обеспечивает более высокий выход полезного ископаемого, тем самым сохраняя ценные запасы для будущих поколений. Экологические преимущества существенны, поскольку добыча значительно снижает воздействие на дикую природу и местное население, уменьшая уровень шума и пыли.

Портлендские каменные здания

Портландский камень почти наверняка использовался в качестве строительного материала со времен римлян. Многочисленные искусно выполненные римские саркофаги (каменные гробы и соответствующие крышки, вытесанные из цельных крупных блоков Портландского камня), обнаруженные за годы раскопок, свидетельствуют о мастерстве их создателей. Самым ранним известным зданием, построенным из Портландского камня, является замок Руфуса в бухте Черч-Оуп, Портленд. Первоначальная структура, вероятно, была возведена около 1080 года, перестроена около 1259 года и вновь перестроена около 1450 года – вероятная дата возведения сохранившихся стен. Первые известные карьеры Портландского камня располагались на северо-восточном побережье острова, вблизи замка Руфуса, где крупные оползни облегчили доступ к камню, а близость моря позволяла доставлять добытые каменные блоки на баржах на значительные расстояния. Портландский камень был использован для строительства Вестминстерского дворца в 1347 году, Лондонского Тауэра в 1349 году и первого каменного Лондонского моста в 1350 году. Эксетерский собор и приорат Крайстчерч, также построенные в XIV веке, возведены из Портландского камня. Его выдающиеся характеристики обеспечили ему популярность среди каменщиков и архитекторов, которая сохраняется и по сей день. Восточная сторона Букингемского дворца, официальной лондонской резиденции короля Карла III, включая балкон, облицована Портландским камнем, впервые в 1854 году и повторно в 1913 году. Мемориал Виктории (открыт в 1911 году) также выполнен из него. Иниго Джонс (1573–1652) использовал Портландский камень для строительства Банкетного зала в Уайтхолле в 1620 году. Сэр Кристофер Рен использовал почти миллион кубических футов для восстановления собора Святого Павла и многих других небольших церквей после Великого лондонского пожара в 1666 году. Весь камень, использованный Реном, доставлялся на парусных баржах из Портленда в центр Лондона по морю, а затем вверх по Темзе. Широкое использование Портландского камня Реном окончательно утвердило его как «местный камень» Лондона и один из самых любимых британских строительных камней. Другие известные лондонские здания, построенные из Портландского камня, включают Британский музей (1753 г.) с новым расширением WCEC в Портленд-Роуч, вошедшим в шорт-лист премии Стирлинга в 2017 году, Сомерсет-хаус (1792 г.), Главпочтамт (1829 г.), Банк Англии, особняк мэра и Национальную галерею. Тауэрский мост частично облицован Портландским камнем (наряду с корнуолльским гранитом). В 1923 году Портландский камень был использован для строительства опорного столба ворот Грейс на лордском стадионе по крикету. В последнее время Портландский камень использовался при строительстве казарм Челси, террасы Уилкинса в UCL University College London, Сент-Джеймс-Маркет Хеймаркет в Лондоне и станции метро Грин-Парк. Портландский камень широко распространен в Манчестере, несмотря на историческое предпочтение износостойких материалов, таких как Бурмантофтс и песчаник, для противостояния суровым промышленным условиям. Портландский камень в основном использовался в Манчестере в 1930-х годах. Манчестерские здания с фасадами из Портландского камня включают 100 Кинг-стрит (1935 г.), Аркрайт-хаус (1937 г.), здания Сент-Джеймса (1912 г.), Манчестерскую центральную библиотеку (1934 г.), Kendal Milne (1939 г.) и Sunlight House (1932 г.). Два из трех зданий Ливерпуля, Cunard Building и Port of Liverpool Building, облицованы Портландским камнем, который окружает их железобетонные каркасы. Дом Совета Ноттингема, завершенный в 1929 году, также построен из Портландского камня, как и общественные здания в гражданском центре Кардиффа. Архитектор Чарльз Холден активно использовал камень в своих крупных проектах 1920-х и 1930-х годов, включая Сенатский дом и 55 Бродвей, штаб-квартиру лондонского метрополитена. Здание 1929 года со стальным каркасом (одно из первых, возведенных в Великобритании) Лондонской школы гигиены и тропической медицины, расположенное на Киппел-стрит, имеет фасад из Портландского камня, завершающий его строгий классический дизайн. После Второй мировой войны (1939–1945) разрушенные центры многих английских городов, таких как Плимут, Бристоль, Ковентри и Лондон, были восстановлены с использованием обширных фасадов из Портландского камня. Многие здания, окружающие флагманское здание Паркинсона в Университете Лидса, облицованы Портландским камнем, включая здание Майкла Садлера, здания химии и инженерии и новую библиотеку Лейдлоу. Оксфорд обычно использует оолитический известняк в своих зданиях, а в отреставрированном Эшмолеанском музее использовано большое количество Портландского камня. Портландский камень также использовался по всему миру. Примеры включают здание ООН в Нью-Йорке, Казино Курзал в Бельгии и Мемориальный музей войны Окленда. Большинство важных гражданских и административных зданий, сохранившихся в Дублине, Ирландия, XVIII и XIX веков, известном тогда как «второй город Империи», построены из Портландского камня, включая Городскую ратушу (1779 г.), здание Парламента (1767 г.), Таможенный дом (1791 г.), Национальную галерею (1864 г.) и Главпочтамт (1818 г.). Более поздние проекты включают здание BBC Broadcasting House в Лондоне, которое получило награду «Новое строительство (Не несущий нагрузки из камня)» на конкурсе Natural Stone Awards в 2006 году. Международный союз геологических наук признал Портландский камень глобальным наследием каменных ресурсов.

Portland's freestone has almost certainly been used as a building material since Roman times. The many well crafted Roman sarcophagi (stone coffins and matching lids, hewn from single large blocks of Portland stone) that have been unearthed locally over the years, testify to the skill of their makers. The earliest known building to be constructed using Portland stone is Rufus Castle at Church Ope Cove, Portland. The original structure was probably built around 1080, rebuilt around 1259 and rebuilt yet again around 1450, which is the likely date of the walls seen today. The first known Portland stone quarries were situated on the northeastern coast of the Isle, close to Rufus Castle, where huge landslips made the stone more easily accessible, and the proximity of the sea allowed the quarried stone blocks to be moved over relatively large distances by barge. Portland stone was used to build the Palace of Westminster in 1347, the Tower of London in 1349 and the first stone London Bridge in 1350. Exeter Cathedral and Christchurch Priory, also constructed during the 14th Century, are built of Portland stone. Its superb characteristics have ensured a popularity amongst masons and architects that has endured ever since. The East side of Buckingham Palace, the official London residence of King Charles III, including the balcony, was faced with Portland stone, first in 1854 and again in 1913. The Victoria Memorial (unveiled 1911) is also made of it. Inigo Jones (1573–1652) used Portland stone to build the Banqueting Hall in Whitehall in 1620. Sir Christopher Wren used nearly one million cubic feet to rebuild St. Paul's Cathedral and many other minor churches after the Great Fire of London in 1666. All of the stone used by Wren was transported by sailing barge from Portland to the centre of London via the sea and then up the Thames. Wren's widespread use of Portland stone firmly established it as London's "local stone" and as one of the best loved British building stones. Other famous London buildings constructed of Portland stone are The British Museum (1753) with the new WCEC extension in Portland Roach which was short listed for the Stirling Prize in 2017, Somerset House (1792), the General Post Office (1829), the Bank of England, the Mansion House and the National Gallery. Tower Bridge is partly clad in Portland stone (along with Cornish granite). Portland stone was used in 1923 to build the supporting pillar of the Grace Gates at Lord's Cricket Ground. Recently, Portland stone has been used in the building of Chelsea Barracks, Wilkins Terrace at UCL University College London, St James's Market Haymarket, London and Green Park tube station. Portland stone is prevalent in Manchester despite the historical preferred use of hard wearing materials, such as Burmantofts and sandstone to resist the harsh industrial environment. Portland stone was mostly used in Manchester during the 1930s. Manchester buildings with Portland stone exterior include 100 King Street (1935), Arkwright House (1937), St. James Buildings (1912), Manchester Central Library (1934), Kendal Milne (1939) and Sunlight House (1932). Two of Liverpool's Three Graces, the Cunard Building and the Port of Liverpool Building, are clad in Portland stone which surrounds their reinforced concrete frames. The Nottingham Council House, completed in 1929, is also built with Portland stone, as are the public buildings in Cardiff's civic centre. Architect Charles Holden significantly used the stone in his major commissions of the 1920s and 1930s, including Senate House and 55 Broadway, the home of the London Underground. The 1929 steel framed building (one of the first erected in the United Kingdom) of the London School of Hygiene & Tropical Medicine, based in Keppel Street, has a Portland stone façade to complete its stripped Classical design. After the Second World War (1939–1945), the bombed out centres of many English towns and cities, such as Plymouth, Bristol, Coventry and London were reconstructed using vast facades of Portland stone. Many of the buildings surrounding the flagship Parkinson Building at the University of Leeds are clad in Portland stone, including the Michael Sadler Building, the Chemistry and Engineering buildings and the new Laidlaw Library. Oxford typically uses oolitic limestone in its buildings, and the Ashmolean Museum has been refurbished using a large amount of Portland stone. Portland stone has also been used across the world. Examples include the UN building in New York, the Casino Kursaal in Belgium and the Auckland War Memorial Museum. Most of the important civic and administrative buildings which survive from 18th and 19th century Dublin, Ireland, known then as "the second city of the Empire", are of Portland stone, including City Hall (1779), the Houses of Parliament (1767), the Custom House (1791), the National Gallery (1864) and the General Post Office (1818). More recent projects include the BBC Broadcasting House in London, which won the "New Build (Modern Non Load bearing Stone) Award" in the 2006 Natural Stone Awards. Portland stone has been designated by the International Union of Geological Sciences as a Global Heritage Stone Resource.

Мемориалы

После Первой мировой войны сэр Эдвин Лютенс использовал портландский камень (добытый в Уэйкхеме) для строительства Кенотафа в лондонском Уайтхолле. Возведенный в 1920 году, Кенотаф увековечивает память миллионов погибших в этой и последующих войнах. Мемориал командования бомбардировщиков ВВС Великобритании в лондонском Грин-парке посвящен памяти 55 573 членов экипажей, погибших в период с 1939 по 1945 год. Надгробия британских военнослужащих, погибших в Первой и Второй мировых войнах, были изготовлены из портландского камня. Комиссия по военным захоронениям Содружества использует портландский известняк, поставляемый компанией Albion Stone's Portland Basebed. Портлендский камень был использован при строительстве Мемориала Вооруженных сил в Стаффордшире, Англия. Проект, разработанный архитектурной фирмой Liam O'Connor Architects and Planning Consultants, был завершен в 2007 году с бюджетом более 6 миллионов фунтов стерлингов и содержит имена более 16 000 военнослужащих британских вооруженных сил, погибших после Второй мировой войны.

Замена

Портлендский камень общепризнан как высококачественный материал, однако он достаточно дорогой. При реконструкции центрального двора Британского музея запланированный портлендский камень вызвал споры, когда был заменен на Anstrude Roche Claire из Франции – другой схожий (но более дешевый) оолитный известняк.

Цемент

Термин «портландцемент» был введен Джозефом Аспдином, который в 1824 году запатентовал гидравлическое вяжущее вещество, полученное обжигом смеси известняка и глины, напоминающее ранее существовавший римский цемент и представляющее собой материал, который, по его мнению, был похож на знаменитый портлендский строительный камень.