Kalkstein: Das Kalziumkarbonat Chemische Sedimentgestein

Inhalt

• Was ist Kalkstein?
• Wie bildet sich Kalkstein?
• Bildung von Dolomit aus Kalkstein
• Andere Arten von Carbonate Rock
• Bergbau Carbonate Rocks
• Verwendung von Kalkstein
• Der Portlandzementmangel
• Kalksteinquellen der Zukunft
• Kalksteinproduktionsmuster
• Einige Probleme beim Kalksteinabbau
• Die Notwendigkeit, eine wesentliche Ressource zu verstehen
• Industrieverbrauch von Kalkstein in den USA

Produkte aus Kalkstein: Kalkstein ist ein wesentliches Mineralgut von nationaler Bedeutung. Auf diesem Foto sind einige der zahlreichen aus Kalkstein hergestellten Produkte zu sehen: Frühstücksflocken, Farben, Kalziumpräparate, Marmortabletten, Antazidumtabletten, hochwertiges Papier, weißes Dachgranulat und Portlandzement. (USGS-Foto; die Verwendung von Handels-, Firmen- oder Produktnamen dient nur zu beschreibenden Zwecken und impliziert keine Billigung durch die US-Regierung.)

Indiana-Kalkstein im Apex-Gebäude: Viele Gebäude in der Hauptstadt der Nationen sind mit Kalkstein bedeckt. Das Apex Building / Federal Trade Commission hat ein oberes Äußeres aus Indiana-Kalkstein. (USGS-Foto.)

Was ist Kalkstein?

"Kalkstein" bedeutet jedes Gestein, das hauptsächlich aus Calciumcarbonat (CaCO₃), aber für Geologen ist Kalkstein nur eine von mehreren Arten von "Karbonatgesteinen". Diese Gesteine ​​bestehen aus mehr als 50% Carbonatmineralien, im Allgemeinen den Mineralien Calcit (reines CaCO₃) oder Dolomit (Calcium-Magnesiumcarbonat, CaMg₂) oder beides.

Wie bildet sich Kalkstein?

Die meisten Karbonatgesteine ​​wurden aus Meerwasser abgelagert. Diese Sedimentkarbonatgesteine ​​sind auf allen Kontinenten verbreitet und haben sich im größten Teil der geologischen Geschichte gebildet. Sie bilden sich noch heute in den Tropen als Korallenriffe und am Grund flacher Meere.

Meereskalkstein bildet sich, weil Meerwasser hohe Konzentrationen von zwei gelösten Schlüsselchemikalien - Kalzium (Ca⁺⁺) und Bicarbonat (HCO_3-) Ionen. In der oberflächennahen Schicht der meisten Ozeane verwenden Korallen, Muscheln und andere Meerestiere diese beiden Chemikalien, um Schutzhüllen zu bilden, indem sie sie zu Calcit oder "Aragonit" kombinieren unterschiedliche Kristallform.

Doline im Winter Park, Florida: Große Mengen an Kalkstein können durch Oberflächenwasser und Grundwasser aufgelöst und abtransportiert werden. Dadurch entstehen Höhlen wie die Carlsbad Caverns in New Mexico (Foto unten). In feuchten Klimazonen kommt es besonders häufig zur Bildung von Höhlen, und an Stellen, an denen Höhlendecken einstürzen, können sich Dolinen bilden. 1981 wurde in Winter Park, Florida, ein etwa 60 Meter breites Erdloch geöffnet, als die Decke einer darunter liegenden Kalksteinhöhle einstürzte. Die Höhle und das Dolinenloch befinden sich in der Cypresshead-Formation, einem wichtigen Grundwasserleiter in Zentralflorida. In kavernösen Kalkstein-Grundwasserleitern bewegen sich Verunreinigungen im Grundwasser viel schneller als in anderen Gesteinsarten, weshalb Steinbrüche in solchen Gebieten ein besonderes Problem darstellen. (USGS-Foto.)

Bildung von Dolomit aus Kalkstein

Einige Kalksteine ​​wurden durch die Einbringung von Magnesium in das Grundwasser verändert. Magnesium im Grundwasser kann einen Teil oder den gesamten Calcit im Kalkstein in Dolomit umwandeln. Außerdem waren einige Felsen, die sich in trockenen Klimazonen in der Nähe der Ufer der alten Meere bildeten, zum Zeitpunkt ihrer Ablagerung größtenteils Dolomit.

Kalksteinhöhle: Stalaktiten hängen von der Decke und Stalagmiten ragen aus dem Boden der Carlsbad Caverns in New Mexico in einem 260 Millionen Jahre alten Kalkstein. (Foto des National Park Service)

Andere Arten von Carbonate Rock

Kalkstein gibt es in vielen verschiedenen Varianten. Kreide ist ein sehr feinkörniger, poröser Meereskalkstein, der fast ausschließlich aus mikroskopisch kleinen Fossilien besteht. Travertin ist ein Süßwassersediment-Kalkstein, der sehr dünne, gekräuselte Schichten aufweist und üblicherweise an Quellen gebildet wird. Marmor ist ein Karbonatgestein, normalerweise ein Meereskalkstein, der durch große Hitze und Druck tief unter der Erdoberfläche wie Plastik gepresst und deformiert wurde. Dieser Vorgang wird als "Metamorphismus" bezeichnet. Es gibt auch seltene "magmatische" Karbonatgesteine, die auf die gleiche Weise aus geschmolzenem Magma kristallisiert sind wie Lavas oder Granite. Diese werden "Karbonatite" genannt und dieser Gesteinstyp wird an einigen Stellen der Welt als industrieller Kalkstein abgebaut.

Bergbau Carbonate Rocks

Sedimentkalkablagerungen können ausgedehnt sein und Hunderte von Quadratkilometern bedecken, und sie können in Dicke und Qualität relativ gleichmäßig sein. Daher können Kalksteinbrüche groß und langlebig sein und Kalksteinschichten abbauen, die über Flächen von mehreren Quadratmeilen mehrere hundert Fuß dick sein können. Viele Steinbrüche produzieren mehrere Produkte, und Gesteinsbrocken, die für bestimmte Verwendungszwecke nicht rein genug sind, eignen sich möglicherweise immer noch als Straßenaggregat. Marmorbrüche können auch sehr groß sein. Diese Gesteine, die einst regelmäßig eingebettet waren, wurden jedoch in unregelmäßig geformte Körper verwandelt, die für die Mine schwieriger und kostspieliger sind.

In weiten Teilen der Vereinigten Staaten gibt es ausgedehnte Vorkommen von Meereskalkstein in verschiedenen Altersstufen von einigen Tausend bis zu einem Alter von mehr als 350 Millionen Jahren. Einige Lagerstätten haben einen chemischen Gehalt von bis zu 95% CaCO₃. In einigen Gebieten sind jedoch keine geeigneten Kalkablagerungen vorhanden. Der größte Teil der Kosten für Kalkstein für den Kunden hängt davon ab, wie weit er entfernt ist und wie er versendet wird. Der Versand per Binnenschiff ist billiger als per Zug, was wiederum billiger ist als der Versand per LKW.

Verwendung von Kalkstein

Kalkstein hat viele industrielle Verwendungszwecke und kann abgebaut oder zu einer Vielzahl von Produkten verarbeitet werden. Es ist der Rohstoff für eine Vielzahl von Bau-, Agrar-, Umwelt- und Industriematerialien.

Kalkstein wird fast überall im Bauwesen verwendet. Im Jahr 2007 waren 68% des gesamten in den USA produzierten Gesteins gebrochener Kalkstein. Kalkstein ist auch der Hauptbestandteil bei der Herstellung von Portlandzement. Trotz des Überflusses unserer Nationen an Kalkstein gab es in den letzten Jahren Zementmangel.

Einige der reinsten natürlichen Kalksteine ​​sind Marmor. Marmor ist seit Jahrhunderten der dekorative Stein der Wahl in Regierungsgebäuden und öffentlichen Statuen. Travertin wird auch als Maßstein für Fliesen und Tischplatten verwendet. Ein Teil des weißen Kalksteins wird einfach zerkleinert und gesiebt.

Kalksteinpulver wird verwendet, um Verunreinigungen aus geschmolzenen Metallen wie Stahl zu entfernen. Es kann auch giftige Verbindungen aus den Abgasen von Kohlekraftwerken entfernen. Kalkstein wird als Füllstoff in einer Vielzahl von Produkten verwendet, einschließlich Papier, Kunststoff und Farbe. Der reinste Kalkstein wird sogar in Lebensmitteln und Medikamenten wie Frühstückszerealien und Kalziumpillen verwendet.

Kalkstein ist auch der Rohstoff für die Herstellung von Kalk (CaO), aus dem Böden behandelt, Wasser gereinigt und Kupfer geschmolzen werden. Kalk hat in der chemischen Industrie viele zusätzliche Verwendungen.

Dolomiten sind für die meisten Anwendungen weniger geeignet als andere Industriekalksteine. Der meiste abgebaute Dolomit wird einfach zerkleinert und gesiebt, um als Zuschlagstoff in Beton oder Asphalt verwendet zu werden.

Der Portlandzementmangel

Portlandzement ist eines der wichtigsten Produkte aus Kalkstein. Dies ist in vielen Konstruktionsanwendungen von wesentlicher Bedeutung. Die Vereinigten Staaten sind nicht autark in Zement und müssen es aus anderen Ländern importieren, um die Mängel auszugleichen. Die Einfuhren von Klinker (das Produkt aus dem ersten Schritt der Zementherstellung) und Fertigzement machten 2006 etwa 23% des gesamten US-Zementabsatzes aus. In den Jahren vor 2007 war Portlandzement in der Nation sehr knapp. Konkurrenz aus anderen Ländern, ein unzureichendes Seetransportsystem und ein unterschätzter Laderaumbedarf waren die Ursachen.

Als Portlandzement sehr knapp war, stieg sein Preis erheblich. Die Verbraucher suchten Ersatz. Sie verwendeten druckbehandeltes Holz, isolierten Stahl und Styropor in Paneelen und gestalteten sogar die Fußleisten der Gebäude neu, um die benötigte Menge an Zement zu reduzieren. Zementmangel verursachte auch Bauverzögerungen, die zu erhöhten Kosten für Straßen, Brücken und Gebäude führten.

Kalksteinquellen der Zukunft

Die Errichtung neuer Kalksteinbrüche und Zementwerke in den USA ist ein langsamer Prozess, und Lieferengpässe erfordern Zeit zur Korrektur. Der Bau eines neuen Zementwerks dauert ungefähr 2 Jahre, und der Genehmigungsprozess kann viel länger dauern - 8 bis 10 Jahre. Ein noch größeres Problem ist, dass die Menschen möglicherweise keine neuen Steinbrüche und Anlagen in ihrem Gebiet begrüßen. Trotz dieser Hindernisse sind viele US-amerikanische Zementunternehmen dabei, ihren Betrieb zu erweitern und zu modernisieren.

Wenn ein Gebiet mit geeignetem und abbaubarem Gestein vom städtischen Wachstum verschluckt wird oder wenn der Abbau durch Gesetze oder Zonen verboten wird, wird das Ergebnis als "Ressourcensterilisation" bezeichnet. Kalkstein ist ein Material von nationaler Bedeutung, und die Sterilisation von Ressourcen kann zu einer längeren Transportdauer führen, die vom Steinbruch zum Kunden mit höheren Kosten verbunden ist.

Kalksteinproduktionsmuster

Der größte Teil des abgebauten Kalksteins wird zu Zuschlagstoffen zerkleinert. Der Großteil der US-amerikanischen Schotterproduktion stammt seit mindestens 40 Jahren aus Kalkstein. Dies gilt auch dann, wenn Carbonatgesteine ​​nur 25 bis 35% der Gesteine ​​an der Oberfläche ausmachen.

Seit 1971 ist die Anzahl der US-Schotterbetriebe zurückgegangen, was einem Verlust von etwa 20% pro Jahrzehnt entspricht. Laut US Geological Survey (USGS) hat die jährliche US-Kalksteinproduktion jedoch zugenommen, so dass die durchschnittliche Größe von a Steinbruch nimmt zu. In anderen Teilen der Welt kommt die Neuproduktion hauptsächlich aus einigen sehr großen Steinbrüchen. Trotz der gestiegenen US-Produktion importierte die Nation bis zum jüngsten Rückgang der Bauarbeiten immer mehr ihrer Kalksteinprodukte. Diese Importe kommen hauptsächlich aus Kanada, Mexiko und China. Mit weniger Steinbrüchen wird sich die durchschnittliche Transportentfernung erhöhen, und die Kalksteinpreise werden wahrscheinlich noch einmal steigen.

Einige Probleme beim Kalksteinabbau

Kalkstein wird am häufigsten aus einem Steinbruch abgebaut. Unterirdische Kalksteinminen finden sich jedoch an Orten in den zentralen und östlichen Vereinigten Staaten, insbesondere in und in der Nähe von Städten. Der untertägige Abbau von Kalkstein hat einige Vorteile gegenüber dem Abbau an der Oberfläche und wird wahrscheinlich in Zukunft zunehmen. Zu den typischen Bedenken der Öffentlichkeit hinsichtlich des Kalksteinabbaus zählen Staub, Lärm, Sprengvibrationen sowie LKW- und anderer Verkehr im Zusammenhang mit Steinbrucharbeiten.

Einige Kalksteine ​​sind auch Grundwasserleiter, das heißt, sie sind Gesteinseinheiten, die Brunnen mit Wasser versorgen können. Wenn Kalkstein ein Grundwasserleiter ist, besteht die Gefahr, dass Verunreinigungen aus den Steinbrüchen in das Grundwasser gelangen.

In vielen Gebieten der USA, in denen Kalkstein gefunden wird, löst er sich allmählich im Regenwasser an der Oberfläche oder im oberflächennahen Grundwasser auf. In feuchten Klimazonen lösen sich große Mengen Kalkstein auf und werden im Wasser abtransportiert. Dadurch entstehen Höhlen, und es können sich Senklöcher entwickeln, in denen die Höhlendecken einstürzen. In kavernösen Kalkstein-Grundwasserleitern bewegen sich Verunreinigungen im Grundwasser viel schneller als in anderen Gesteinsarten, weshalb Steinbrüche in solchen Gebieten ein besonderes Problem darstellen.

Die Notwendigkeit, eine wesentliche Ressource zu verstehen

Kalkstein gehört zu den wichtigsten Ressourcen unserer Nationen. Unser Verständnis dieser Ressource als Industriemineral ist angesichts ihrer Bedeutung für unsere Wirtschaft schlecht. Da Kalkstein als "gewöhnliches" Gestein angesehen wurde, waren frühere geologische Untersuchungen nur in begrenztem Umfang möglich. In der Vergangenheit konzentrierten sich die meisten USGS-Untersuchungen zu Kalkstein auf die Kartierung von Lagerstätten sowie auf das Verständnis ihrer Rolle als Grundwasserleiter und Erdölreservoirs. Es werden jedoch unterschiedliche Daten benötigt, um Kalkstein zu charakterisieren, der für das Bauwesen und andere Industrien geeignet ist. Carbonatgesteine ​​müssen die Anforderungen an die chemische Reinheit erfüllen, die je nach Verwendungszweck variieren. Einige Verwendungen erfordern, dass der Kalkstein auch bestimmte günstige technische Eigenschaften aufweist. Die Standards und Anforderungen für die Verwendung von Kalkstein steigen, und es ist ein besseres Verständnis der Eigenschaften, der Variabilität und der technischen Eigenschaften von Kalkstein erforderlich.

Kalkstein gehört zu den wichtigsten Ressourcen unserer Nationen. Unser Verständnis dieser Ressource als Industriemineral ist angesichts ihrer Bedeutung für unsere Wirtschaft schlecht. Da Kalkstein als "gewöhnliches" Gestein angesehen wurde, waren frühere geologische Untersuchungen nur in begrenztem Umfang möglich. In der Vergangenheit konzentrierten sich die meisten USGS-Untersuchungen zu Kalkstein auf die Kartierung von Lagerstätten sowie auf das Verständnis ihrer Rolle als Grundwasserleiter und Erdölreservoirs. Es werden jedoch unterschiedliche Daten benötigt, um Kalkstein zu charakterisieren, der für das Bauwesen und andere Industrien geeignet ist. Carbonatgesteine ​​müssen die Anforderungen an die chemische Reinheit erfüllen, die je nach Verwendungszweck variieren. Einige Verwendungen erfordern, dass der Kalkstein auch bestimmte günstige technische Eigenschaften aufweist. Die Standards und Anforderungen für die Verwendung von Kalkstein steigen, und es ist ein besseres Verständnis der Eigenschaften, der Variabilität und der technischen Eigenschaften von Kalkstein erforderlich.

Industrieverbrauch von Kalkstein in den USA

Sowohl die geologischen als auch die wirtschaftlichen Grenzen werden sich sicherlich auf die zukünftige Versorgung mit Kalkstein auswirken. Die Vereinigten Staaten verbrauchen derzeit zwischen 5 und 10% der weltweiten Produktion von Industriekalkstein. Im Jahr 2007 betrug die inländische Produktion von industriellem Kalkstein etwa 1,3 Milliarden Tonnen im Wert von mehr als 25 Milliarden US-Dollar. Im selben Jahr importierte die Nation ca. 430.000 Tonnen Industriekalk und Kalksteinprodukte im Wert von ca. 2,2 Mrd. USD. Bei den meisten dieser Einfuhren handelte es sich um Portlandzement.

Um den amerikanischen Bedarf an wichtigen Mineralien wie Industriekalk zu decken, sind genaue und unvoreingenommene wissenschaftliche Daten erforderlich. Die kontinuierliche Arbeit von Wissenschaftlern im Rahmen des USGS Mineral Resources Program liefert die Informationen, die für die Ausarbeitung solider Richtlinien zur Sicherstellung der zukünftigen Versorgung mit Mineralressourcen von entscheidender Bedeutung sind.