Kalkstein: Kalsiumkarbonatkjemisk sedimentær bergart

Innhold

• Hva er kalkstein?
• Hvordan dannes kalkstein?
• Dannelse av Dolomitt fra kalkstein
• Andre typer karbonatrock
• Gruvedrift av karbonatbergarter
• Bruk av kalkstein
• Portland sementmangel
• Kilder til kalkstein i fremtiden
• Produksjonsmønstre for kalkstein
• Noen problemer i kalkstein gruvedrift
• Behovet for å forstå en essensiell ressurs
• U.S. Industrial Consumption of Limestone

Produkter laget med kalkstein: Kalkstein er en essensiell mineralvare av nasjonal betydning. Noen av de mange produktene som er laget med kalkstein, er vist i dette fotografiet: frokostblanding, maling, kalsiumtilskuddspiller, en marmorplate, syrenøytraliserende tabletter, papir av høy kvalitet, hvite takgranulater og Portland sement. (USGS-fotografi; bruk av handels-, firma- eller produktnavn er kun for beskrivende formål og innebærer ikke godkjenning fra den amerikanske regjeringen.)

Indiana kalkstein i Apex-bygningen: Mange bygninger i nasjonens hovedstad er dekket med kalkstein. Apex Building / Federal Trade Commission har et øvre ytre av Indiana kalkstein. (USGS-fotografi.)

Hva er kalkstein?

"Kalkstein" betyr enhver bergart som er mest dannet av kalsiumkarbonat (CaCO)₃), men for geologer er kalkstein bare en av flere typer "karbonatbergarter." Disse bergartene er sammensatt av mer enn 50% karbonatmineraler, vanligvis mineralene kalsitt (ren CaCO)₃) eller dolomitt (kalsium-magnesiumkarbonat, CaMg₂) eller begge.

Hvordan dannes kalkstein?

De fleste karbonatbergarter ble avsatt fra sjøvann. Disse sedimentære karbonatbergartene er vanlige på hvert kontinent og har dannet seg gjennom det meste av geologisk historie; de er fortsatt i dag i tropene som korallrev og i bunnen av grunne hav.

Marine kalkstein dannes fordi sjøvann har høye konsentrasjoner av to viktige oppløste kjemikalier - kalsium (Ca⁺⁺) og bikarbonat (HCO_3-) ioner. I det nærmeste overflatelaget av de fleste hav, bruker koraller, muslinger og andre havboende vesener disse to kjemikaliene for å lage beskyttende skall ved å kombinere dem til å danne kalsitt eller "aragonitt", som er den samme kjemiske sammensetningen som kalsitt, men har en forskjellig krystallform.

Sinkhole i Winter Park, Florida: Store volum kalkstein kan løses opp og føres bort av overflatevann og grunnvann. Dette skaper huler, for eksempel Carlsbad-hulene i New Mexico (bildet nedenfor). I fuktig klima er huledannelse spesielt vanlig, og synkehull kan utvikle seg der huletakene faller sammen. Et synkehull omtrent 240 fot over bakkenivå åpnet i 1981 i Winter Park, Florida, da taket i en underliggende kalksteinshule kollapset. Hulen og synkehullet er i Cypresshead-formasjonen, som er en viktig akvifer i Florida sentrum. I kavernøse kalksteinakvifere beveger forurensninger i grunnvann seg mye raskere enn i andre typer bergarter, så steinbrudd i slike områder er spesielle bekymringer. (USGS-fotografi.)

Dannelse av Dolomitt fra kalkstein

Noen kalkstein er blitt endret ved innføring av magnesium i grunnvann. Magnesium i grunnvann kan omdanne deler av eller hele kalsitten i kalksteinen til dolomitt. Noen bergarter som ble dannet nær kysten av eldgamle hav i tørre klima, var stort sett dolomitt på det tidspunktet de ble avsatt.

Kalksteinshule: Stalaktitter henger fra taket, og stalagmitter reiser seg fra gulvet i Carlsbad Caverns, New Mexico, innen 260 millioner år gammel kalkstein. (National Park Service-fotografi.)

Andre typer karbonatrock

Kalkstein kommer i mange forskjellige varianter. Kritt er en veldig finkornet, porøs marin kalkstein som nesten består av mikroskopiske fossiler. Travertin er en sedimentær kalkstein som har veldig tynne, krenulerte lag og er ofte dannet ved kilder. Marmor er en karbonatbergart, vanligvis en marin kalkstein, som har blitt presset og deformert som plast ved stor varme og trykk dypt under jordoverflaten. Denne prosessen kalles "metamorfisme." Det er også sjeldne "stollende" karbonatbergarter som har krystallisert fra smeltet magma på samme måte som lavas eller granitter har. Disse kalles "karbonatitter", og denne bergartstypen er utvunnet noen få steder i verden som industriell kalkstein.

Gruvedrift av karbonatbergarter

Sedimentære kalksteinsavsetninger kan være omfattende og dekke hundrevis av kvadrat miles, og kan være relativt jevn i tykkelse og kvalitet. Derfor kan kalkbrudd være store og langlevede, og minke kalksteinsjikt som kan være hundre meter høye meter over områder på flere kvadrat miles. Mange steinbrudd produserer flere produkter, og knuste bergarter som ikke er rene nok for visse bruksområder, kan fremdeles være egnet som veigruppe. Marmorbrudd kan også være veldig store. Imidlertid er disse bergartene som en gang ble regelmessig bedded, blitt metamorfosert til uregelmessig formede kropper som er vanskeligere og mer kostbart å gruve.

I store deler av USA er det omfattende forekomster av marin kalkstein i forskjellige aldre fra noen få tusen til mer enn 350 millioner år gammel. Noen forekomster har kjemiske kvaliteter så høye som 95% CaCO₃. Noen områder er imidlertid fullstendig uten egnede kalkavsetninger. Mesteparten av kostnadene for kalkstein til kunden bestemmes av hvor langt den kommer fra og hvordan den sendes. Frakt med lekter på vann er billigere enn med tog, som igjen er billigere enn frakt med lastebil.

Bruk av kalkstein

Kalkstein har mange industrielle bruksområder og kan brukes som utvunnet eller bearbeidet til et bredt utvalg av produkter. Det er råvaren for et stort utvalg av konstruksjons-, landbruks-, miljø- og industrimaterialer.

Kalkstein brukes i konstruksjon nesten overalt. I 2007 var knust kalkstein 68% av all knust berg produsert i USA. Dessuten er kalkstein den viktigste ingrediensen i å lage Portland sement. Til tross for våre overflod av kalkstein, har det vært sementmangel de siste årene.

Noen av de reneste av naturlige kalkstein er klinkekuler. I århundrer har marmor vært den valgte dekorative steinen i regjeringsbygninger og offentlige statuer. Travertin brukes også som dimensjonsstein i fliser og bordplater. Noe hvitt kalkstein er ganske enkelt knust og siktet for bruk i landskapsarbeid og taktekking.

Pulverisert kalkstein brukes til å fjerne urenheter fra smeltede metaller som stål. Det kan også fjerne giftige forbindelser fra eksosen fra kullforbrenningskraftverk. Kalkstein brukes som fyllstoff i en rekke produkter, inkludert papir, plast og maling. Den reneste kalksteinen brukes til og med i matvarer og medisiner som frokostblandinger og kalsiumpiller.

Kalkstein er også råstoffet for fremstilling av kalk (CaO) som brukes til å behandle jordsmonn, rense vann og smelte kobber. Kalk har mange tilleggsbruk i den kjemiske industrien.

Dolomitter er vanligvis mindre egnet enn andre industrielle kalkstein for de fleste bruksområder. Mest dolomitt som er utvunnet, knuses ganske enkelt og siktes for bruk som aggregat i betong eller asfalt.

Portland sementmangel

Portland sement er et av de viktigste produktene laget av kalkstein. Det er viktig i mange konstruksjonsapplikasjoner. USA er ikke selvforsynt med sement og må importere det fra andre land for å kompensere for mangler. Import av klinker (produktet fra første trinn i å lage sement) og ferdig sement sto for rundt 23% av det totale amerikanske sementsalget i 2006. I årene rett før 2007 var Portland sement i alvorlig mangelvare i Nasjonen. Konkurranse fra andre land, et utilstrekkelig havtransportsystem og undervurderte krav til lasterom var blant årsakene.

Da Portland sement var svært mangelvare, økte prisen betydelig. Forbrukerne søkte vikariater. De brukte trykkbehandlet tre, isolert stål og polystyren i paneler, og til og med redesignet bunntekst for å redusere mengden sement som trengs. Sementmangel forårsaket også konstruksjonsforsinkelser som resulterte i økte kostnader for veier, broer og bygninger.

Kilder til kalkstein i fremtiden

Å etablere nye kalkbrudd og sementanlegg i USA er en langsom prosess, og forsyningssvikt krever tid å rette opp. Det tar omtrent to år å bygge et nytt sementfabrikk, og tillatelsesprosessen kan ta mye lengre tid - 8 til 10 år. Kanskje er et enda mer utfordrende problem at folk kanskje ikke ønsker nye steinbrudd og planter velkommen til sitt område. Til tross for disse hindringene, er mange amerikanske sementbedrifter i ferd med å utvide og modernisere driften.

Når et område med egnet og minelig berg blir slukt av byvekst eller når gruvedrift blir forbudt ved lov eller regulering, kalles resultatet "ressurssterilisering." Kalkstein er et materiale av nasjonal betydning, og ressurssterilisering kan resultere i et lengre trekk til en høyere kostnad fra steinbrudd til kunde.

Produksjonsmønstre for kalkstein

Det meste av kalksteinen som er utvunnet, knuses for tilslag. De fleste av amerikansk pukkverk har kommet fra kalkstein i minst de siste 40 årene. Dette er tilfelle selv om karbonatbergarter bare er 25 til 35% av bergartene ved overflaten.

USAs pukkverk har gått ned i antall, omtrent 20% tap per tiår siden 1971. Imidlertid økte den årlige amerikanske kalksteinproduksjonen i henhold til US Geological Survey (USGS) Mineral Commodity Summaries, fra 2001 til 2006, så den gjennomsnittlige størrelsen på en steinbrudd øker. I andre deler av verden kommer ny produksjon hovedsakelig fra noen få veldig store steinbrudd. Til tross for økt amerikansk produksjon importerte Nationen mer og mer av sine kalkprodukter frem til nylig nedgang i konstruksjonen. Denne importen kommer først og fremst fra Canada, Mexico og Kina. Med færre steinbrudd øker gjennomsnittlig avstand, og kalkstensprisene vil trolig øke igjen.

Noen problemer i kalkstein gruvedrift

Kalkstein blir ofte utvunnet fra et steinbrudd. Imidlertid finnes underjordiske kalkminer på steder i det sentrale og østlige USA, spesielt i og i nærheten av byer. Underjordisk gruvedrift av kalkstein har noen fordeler i forhold til steinbrudd og vil sannsynligvis øke i fremtiden. Typiske offentlige bekymringer for kalksteinbryting inkluderer støv, støy, sprengningsvibrasjoner og lastebil- og annen trafikk knyttet til steinbrudd.

Noen kalksteiner er også akviferer, det vil si at de er bergsenheter som kan gi vann til brønner. Der kalkstein er en akvifer, kan det være bekymring for at forurensninger fra steinbruddets operasjoner kan rømme ut i grunnvannet.

I mange områder i USA hvor kalkstein er funnet, løses den gradvis opp i regnvann ved overflaten eller i nær overflaten. I fuktig klima løses store mengder kalkstein opp og føres bort i vannet. Dette skaper huler, og synkehull kan utvikle seg der huletakene faller sammen. I kavernøse kalksteinakvifere beveger forurensninger i grunnvann seg mye raskere enn i andre typer bergarter, så steinbrudd i slike områder er spesielle bekymringer.

Behovet for å forstå en essensiell ressurs

Kalkstein er blant våre mest nasjonale ressurser. Vår forståelse av den ressursen som et industrimineral er dårlig gitt dens betydning for økonomien vår. Fordi kalkstein har blitt sett på som en "vanlig" bergart, var tidligere geologisk forskning begrenset i omfang. I det siste har de fleste USGS-undersøkelser om kalkstein fokusert på å kartlegge forekomster, samt forstå deres roller som akviferer og petroleumsreservoarer. Imidlertid er det nødvendig med forskjellige data for å karakterisere kalkstein som er egnet for bygg og industri. Karbonatbergarter må oppfylle krav til kjemisk renhet som varierer etter beregnet bruk. Noen bruksområder krever at kalksteinen også har visse gunstige tekniske egenskaper. Standarder og krav til bruk av kalkstein øker, og en større forståelse av kalksteinkarakteristika, variabilitet og tekniske egenskaper er nødvendig.

Kalkstein er blant våre mest nasjonale ressurser. Vår forståelse av den ressursen som et industrimineral er dårlig gitt dens betydning for økonomien vår. Fordi kalkstein har blitt sett på som en "vanlig" bergart, var tidligere geologisk forskning begrenset i omfang. I det siste har de fleste USGS-undersøkelser om kalkstein fokusert på å kartlegge forekomster, samt forstå deres roller som akviferer og petroleumsreservoarer. Imidlertid er det nødvendig med forskjellige data for å karakterisere kalkstein som er egnet for bygg og industri. Karbonatbergarter må oppfylle krav til kjemisk renhet som varierer etter beregnet bruk. Noen bruksområder krever at kalksteinen også har visse gunstige tekniske egenskaper. Standarder og krav til bruk av kalkstein øker, og en større forståelse av kalksteinkarakteristika, variabilitet og tekniske egenskaper er nødvendig.

U.S. Industrial Consumption of Limestone

Både geologiske og økonomiske grenser vil sikkert påvirke fremtidige forsyninger med kalkstein. USA bruker for tiden mellom 5 og 10% av den globale produksjonen av industriell kalkstein. I 2007 var den innenlandske produksjonen av industriell kalkstein cirka 1,3 milliarder tonn, verdsatt til mer enn 25 milliarder dollar. Samme år importerte Nationen rundt 430 000 tonn industrikalkstein og kalkprodukter, verdsatt til rundt 2,2 milliarder dollar. De fleste av disse importene var Portland sement.

Å møte utfordringene med å forsyne Amerikas behov for essensielle mineralvarer som industriell kalkstein krever nøyaktige og objektive vitenskapelige data. Det pågående arbeidet til forskere med USGS Mineral Resources Program gir informasjonen som er avgjørende for å lage sunn politikk som vil bidra til å sikre fremtidige forsyninger av mineralressurser.