Kalksten: Den calciumcarbonat kemiske sedimentære sten

Indhold

• Hvad er kalksten?
• Hvordan dannes kalksten?
• Dannelse af Dolomit fra kalksten
• Andre typer karbonatrock
• Minedrift af karbonatsten
• Anvendelser af kalksten
• Portland Cement mangel
• Kilder til kalksten i fremtiden
• Produktionsmønstre for kalksten
• Nogle problemer i kalkstenminedrift
• Behovet for at forstå en essentiel ressource
• U.S. industrielt forbrug af kalksten

Produkter lavet med kalksten: Kalksten er en essentiel mineralvare af national betydning. Nogle af de mange produkter fremstillet ved hjælp af kalksten er vist på dette foto: morgenmadsprodukter, maling, calciumtilskudspiller, en marmorplade, antacida tabletter, papir af høj kvalitet, hvide taggranulater og Portland cement. (USGS-fotografi; brug af handels-, firma- eller produktnavne er kun til beskrivende formål og indebærer ikke godkendelse fra den amerikanske regering.)

Indiana kalksten i Apex-bygningen: Mange bygninger i Nationens hovedstad er dækket med kalksten. Apex Building / Federal Trade Commission har et øvre ydre af Indiana kalksten. (USGS-fotografi.)

Hvad er kalksten?

"Kalksten" betyder enhver sten, der for det meste er dannet af calciumcarbonat (CaCO)₃), men for geologer er kalksten kun en af ​​flere typer af "karbonatsten." Disse klipper er sammensat af mere end 50% carbonatmineraler, generelt mineralerne calcite (ren CaCO)₃) eller dolomit (calcium-magnesiumcarbonat, CaMg₂) eller begge.

Hvordan dannes kalksten?

De fleste carbonater var afsat fra havvand. Disse sedimentære karbonatklipper er almindelige på hvert kontinent og er dannet gennem det meste af geologisk historie; de dannes stadig i dag i troperne som korallrev og i bunden af ​​lavt hav.

Marine kalksten dannes, fordi havvand har høje koncentrationer af to nøgleopløste kemikalier - calcium (Ca⁺⁺) og bicarbonat (HCO_3-) ioner. I det nærmeste overfladelag af de fleste oceaner bruger koraller, muslinger og andre havboende væsener disse to kemikalier til at fremstille beskyttende skaller ved at kombinere dem til dannelse af kalsit eller "aragonit", som er den samme kemiske sammensætning som kalsit, men har en forskellige krystalform.

Sinkhole i Winter Park, Florida: Store mængder kalksten kan opløses og føres væk med overfladevand og grundvand. Dette skaber huler, såsom Carlsbad-huler i New Mexico (foto nedenfor). I fugtigt klima er huledannelse især almindelig, og synkehuller kan udvikle sig, hvor hullofter falder sammen. Et synkehul omkring 240 fod over på jordoverfladen åbnede i 1981 i Winter Park, Florida, da loftet i en underliggende kalkstenhule kollapsede. Hulen og synkehullet findes i Cypresshead-formationen, som er en vigtig akvifer i det centrale Florida. I kavernøse kalksten-akviferer bevæger forurenende stoffer i grundvandet sig meget hurtigere end i andre klippetyper, så stenbrud i sådanne områder er specielle bekymringer. (USGS-fotografi.)

Dannelse af Dolomit fra kalksten

Nogle kalksten er blevet ændret ved introduktion af magnesium i grundvandet. Magnesium i grundvand kan omdanne noget af eller hele kalksten i kalkstenen til dolomit. Nogle klipper dannet nær kysterne af det gamle hav i tørt klima var for det meste dolomit på det tidspunkt, hvor de blev deponeret.

Kalkstenhule: Stalaktitter hænger fra loftet, og stalagmitter stiger fra gulvet i Carlsbad Caverns, New Mexico, inden for 260 millioner år gammel kalksten. (National Park Service-fotografi.)

Andre typer karbonatrock

Kalksten findes i mange forskellige sorter. Kridt er en meget finkornet, porøs marin kalksten, der næsten udelukkende består af mikroskopiske fossiler. Travertin er en sedimentær kalksten, der har meget tynde, crenulerede lag og dannes almindeligt ved fjedre. Marmor er en karbonatsten, som regel en marin kalksten, der er presset og deformeret som plast ved stor varme og tryk dybt under jordoverfladen. Denne proces kaldes "metamorfisme." Der er også sjældne "stødende" carbonatbergarter, der har krystalliseret fra smeltet magma på samme måde som lavas eller granitter. Disse kaldes "carbonatites", og denne klippetype udvindes nogle få steder i verden som industriel kalksten.

Minedrift af karbonatsten

Sedimentære kalkstenaflejringer kan være omfattende og dække hundreder af kvadrat miles og kan være relativt ensartede i tykkelse og kvalitet. Derfor kan kalkbrud være store og langvarige, minedele kalkstenlag, der kan være hundreder af meter tykke over områder på flere kvadrat miles. Mange stenbrud producerer flere produkter, og knuste klipper, der ikke er rene nok til visse anvendelser, kan stadig være egnede som vejaggregat. Marmorbrud kan også være meget store. Imidlertid er disse klipper, der engang regelmæssigt blev sengetøj, blevet metamorfoseret i uregelmæssigt formede kroppe, der er vanskeligere og dyrere at miner.

I store dele af De Forenede Stater er der omfattende forekomster af havkalksten i forskellige aldre fra et par tusinde til mere end 350 millioner år gamle. Nogle aflejringer har kemiske kvaliteter så høje som 95% CaCO₃. Imidlertid er nogle områder fuldstændigt uden egnede kalkaflejringer. De fleste af omkostningerne ved kalksten til kunden bestemmes af, hvor langt væk den kommer fra, og hvordan den sendes. Forsendelse med pram på vand er billigere end med tog, hvilket igen er billigere end levering med lastbil.

Anvendelser af kalksten

Kalksten har mange industrielle anvendelser og kan bruges som udvindes eller forarbejdes til en lang række produkter. Det er råmaterialet til en lang række konstruktions-, landbrugs-, miljø- og industrimaterialer.

Kalksten bruges næsten overalt i konstruktionen. I 2007 var knust kalksten 68% af al knust sten produceret i USA. Kalksten er også den vigtigste ingrediens i fremstilling af Portland cement. På trods af vores nationers overflod af kalksten har der været cementmangel i de senere år.

Nogle af de reneste af naturlige kalksten er kugler. I århundreder har marmor været den valgte dekorative sten i regeringsbygninger og offentlige statuer. Travertin bruges også som en dimensionsten i fliser og bordplader. Noget hvidt kalksten er simpelthen knust og sigtet til brug i landskabspleje og tagdækning.

Pulveriseret kalksten bruges til at fjerne urenheder fra smeltede metaller som stål. Det kan også fjerne giftige forbindelser fra udstødningen fra kulforbrændende kraftværker. Kalksten bruges som fyldstof i en række produkter, herunder papir, plast og maling. Den reneste kalksten bruges endda i fødevarer og medicin såsom morgenmadsprodukter og calciumpiller.

Kalksten er også råmaterialet til fremstilling af kalk (CaO), der bruges til at behandle jord, rense vand og smelte kobber. Kalk har mange yderligere anvendelser i den kemiske industri.

Dolomitter er normalt mindre egnede end andre industrielle kalksten til de fleste anvendelser. Det meste dolomit, der udvindes, knuses og sigtes til brug som aggregat i beton eller asfalt.

Portland Cement mangel

Portland cement er et af de vigtigste produkter fremstillet af kalksten. Det er vigtigt i mange konstruktionsapplikationer. De Forenede Stater er ikke selvforsynende med cement og skal importere det fra andre lande for at kompensere for underskud. Import af klinker (produktet fra det første trin i fremstilling af cement) og færdig cement tegnede sig for cirka 23% af det samlede amerikanske cementomsætning i 2006. I årene lige før 2007 var Portland cement i alvorlig mangelvare i Nationen. Konkurrence fra andre lande, et utilstrækkeligt havtransportsystem og undervurderede krav til lasterum var blandt årsagerne.

Da Portland cement var meget mangelfuld, steg prisen betydeligt. Forbrugerne søgte erstatninger. De brugte trykbehandlet træ, isoleret stål og polystyren i paneler og endda redesignede bygningsfødder for at reducere den nødvendige mængde cement. Cementmangel forårsagede også forsinkelser i byggeriet, som resulterede i øgede omkostninger til veje, broer og bygninger.

Kilder til kalksten i fremtiden

Etablering af nye kalkbrud og cementfabrikker i USA er en langsom proces, og forsyningsunderskud kræver tid at rette op. Det tager ca. 2 år at bygge et nyt cementfabrik, og tilladelsesprocessen kan tage meget længere tid - 8 til 10 år. Et endnu mere udfordrende problem er måske, at folk måske ikke byder nye stenbrud og planter velkommen til deres område. På trods af disse hindringer er mange amerikanske cementfirmaer i færd med at udvide og modernisere deres aktiviteter.

Når et område med egnet og minelig klippe opsvindes af byvækst, eller når minedrift bliver forbudt ved lovgivning eller zonering, kaldes resultatet "ressourcesterilisering." Kalksten er et materiale af national betydning, og ressourcesterilisering kan resultere i en længere træk til en højere pris fra stenbrud til kunde.

Produktionsmønstre for kalksten

Det meste af den kalksten, der er udvindet, knuses til aggregering. Størstedelen af ​​den amerikanske knust stenproduktion er kommet fra kalksten i mindst de sidste 40 år. Dette er tilfældet, selvom carbonatbergarter kun er 25 til 35% af klipperne ved overfladen.

USAs knuste stenoperationer er faldet i antal, ca. 20% tab pr. Årti siden 1971. Fra 2001 til 2006 steg den samlede årlige amerikanske kalkstenproduktion dog ifølge US Geological Survey (USGS) Mineral Commodity Summaries, så den gennemsnitlige størrelse på en stenbrud stiger. I andre dele af verden kommer ny produktion hovedsageligt fra et par meget store stenbrud. På trods af øget amerikansk produktion importerede Nationen mere og mere af sine kalkprodukter indtil den nylige nedgang i byggeriet. Denne import kommer primært fra Canada, Mexico og Kina. Med færre stenbrud stiger den gennemsnitlige trækafstand, og kalkstenspriser vil sandsynligvis stige igen.

Nogle problemer i kalkstenminedrift

Kalksten udvindes oftest fra et stenbrud. Underjordiske kalkminer findes dog steder i det centrale og østlige USA, især i og i nærheden af ​​byer. Underjordisk minedrift af kalksten har nogle fordele i forhold til overfladebrydning og vil sandsynligvis stige i fremtiden. Typiske offentlige bekymringer omkring kalkstenudvinding inkluderer støv, støj, sprængning af vibrationer og lastbil og anden trafik i forbindelse med stenbrud.

Nogle kalksten er også akvifere, det vil sige at de er klippenheder, der kan give vand til brønde. Hvor kalksten er en akvifer, kan der være bekymring for, at forurenende stoffer fra stenbruddet kan flygte ud i grundvandet.

I mange områder i De Forenede Stater, hvor kalksten findes, opløses den gradvist i regnvand på overfladen eller i det nærliggende overfladevand. I fugtigt klima opløses store mængder kalksten og føres væk i vandet. Dette skaber huler, og der kan udvikle sig hulhuller, hvor hullofter falder sammen. I kavernøse kalksten-akviferer bevæger forurenende stoffer i grundvandet sig meget hurtigere end i andre klippetyper, så stenbrud i sådanne områder er specielle bekymringer.

Behovet for at forstå en essentiel ressource

Kalksten er blandt vores nationers mest væsentlige ressourcer. Vores forståelse af denne ressource som et industrimineral er dårlig i betragtning af dens betydning for vores økonomi. Da kalksten er blevet betragtet som en "almindelig" klippe, var tidligere geologisk forskning begrænset i omfang. Tidligere har de fleste USGS-undersøgelser af kalksten fokuseret på kortlægning af aflejringer samt forståelse af deres roller som akviferer og petroleumsmagasiner. Imidlertid er der brug for forskellige data for at karakterisere kalksten, der er egnet til byggeri og andre industrier. Carbonatbergarter skal opfylde kemiske renhedskrav, der varierer efter den tilsigtede anvendelse. Nogle anvendelser kræver, at kalksten også har visse gunstige tekniske egenskaber. Standarder og krav til kalksten er stigende, og der er behov for en større forståelse af kalkegenskaber, variation og tekniske egenskaber.

Kalksten er blandt vores nationers mest væsentlige ressourcer. Vores forståelse af denne ressource som et industrimineral er dårlig i betragtning af dens betydning for vores økonomi. Da kalksten er blevet betragtet som en "almindelig" klippe, var tidligere geologisk forskning begrænset i omfang. Tidligere har de fleste USGS-undersøgelser af kalksten fokuseret på kortlægning af aflejringer samt forståelse af deres roller som akviferer og petroleumsmagasiner. Imidlertid er der brug for forskellige data for at karakterisere kalksten, der er egnet til byggeri og andre industrier. Carbonatbergarter skal opfylde kemiske renhedskrav, der varierer efter den tilsigtede anvendelse. Nogle anvendelser kræver, at kalksten også har visse gunstige tekniske egenskaber. Standarder og krav til kalksten er stigende, og der er behov for en større forståelse af kalkegenskaber, variation og tekniske egenskaber.

U.S. industrielt forbrug af kalksten

Både geologiske og økonomiske grænser vil bestemt påvirke fremtidige forsyninger med kalksten. De Forenede Stater bruger i øjeblikket mellem 5 og 10% af den globale produktion af industriel kalksten. I 2007 var den indenlandske produktion af industriel kalksten ca. 1,3 mia. Ton, værdiansat til mere end $ 25 mia. Samme år importerede nationen omkring 430.000 tons industrielle kalksten- og kalkstenprodukter, værdiansat til ca. 2,2 milliarder dollars. Det meste af denne import var Portland cement.

At imødegå udfordringen med at forsyne Amerikas behov for essentielle mineralvarer såsom industriel kalksten kræver nøjagtige og objektive videnskabelige data. Forskningers igangværende arbejde med USGS Mineral Resources Program giver de oplysninger, der er afgørende for oprettelsen af ​​sunde politikker, der vil hjælpe med at sikre fremtidige forsyninger med mineralressourcer.