Kalksten: Calcium Carbonate Chemical Sediment Rock

Innehåll

• Vad är kalksten?
• Hur bildas kalksten?
• Bildande av Dolomit från kalksten
• Andra typer av karbonatrock
• Gruvdrift karbonat stenar
• Användningar av kalksten
• Portland Cement Brist
• Källor till kalksten i framtiden
• Produktionsmönster för kalksten
• Vissa problem i kalkstenbrytning
• Behovet av att förstå en väsentlig resurs
• Amerikanskt industriellt konsumtion av kalksten

Produkter tillverkade med kalksten: Kalksten är en viktig mineralvara av nationell betydelse. Några av de många produkterna som tillverkats med kalksten visas på det här fotografiet: frukostflingor, färg, piller med kalciumtillskott, en bordsskiva i marmor, antacida tabletter, högkvalitativt papper, vita takgranulat och Portlandcement. (USGS-fotografi; användning av handels-, företags- eller produktnamn är endast för beskrivande syften och innebär inte godkännande av den amerikanska regeringen.)

Indiana kalksten i Apex-byggnaden: Många byggnader i Nationernas huvudstad är täckta med kalksten. Apex Building / Federal Trade Commission har en övre yttre av Indiana kalksten. (USGS-foto.)

Vad är kalksten?

"Kalksten" betyder vilken sten som helst består av kalciumkarbonat (CaCO)₃), men för geologer är kalksten bara en av flera typer av "karbonatstenar." Dessa stenar består av mer än 50% karbonatmineraler, vanligtvis kalcitmineraler (ren CaCO)₃) eller dolomit (kalcium-magnesiumkarbonat, CaMg₂) eller båda.

Hur bildas kalksten?

De flesta karbonatbergarter avsattes från havsvatten. Dessa sedimentära karbonatbergarter är vanliga på alla kontinenter och har bildats genom större delen av geologiska historier; de bildas fortfarande i tropikerna som korallrev och vid botten av grunt hav.

Marin kalksten bildas eftersom havsvatten har höga koncentrationer av två viktiga upplösta kemikalier - kalcium (Ca⁺⁺) och bikarbonat (HCO_3-) joner. I det yttersta lagret av de flesta hav använder koraller, musslor och andra varelser från havsbotten dessa två kemikalier för att skapa skyddande skal genom att kombinera dem för att bilda kalcit eller "aragonit", som är samma kemiska sammansättning som kalsit men har en olika kristallform.

Sinkhole i Winter Park, Florida: Stora volymer kalksten kan upplösas och transporteras bort av ytvatten och grundvatten. Detta skapar grottor, till exempel Carlsbad-grottorna i New Mexico (foto nedan). I fuktigt klimat är grottbildning särskilt vanligt, och sjunker kan utvecklas där grottens tak faller samman. Ett sjunkande hål cirka 240 meter över marknivån öppnades 1981 i Winter Park, Florida, när taket i en underliggande kalkstengrotta kollapsade. Grottan och sinkhole finns i Cypresshead Formation, som är en viktig akvifer i centrala Florida. I kavernösa kalkstenvattenmaskiner rör sig föroreningar i grundvatten mycket snabbare än i andra bergarter, så stenbrott i sådana områden är speciella problem. (USGS-foto.)

Bildande av Dolomit från kalksten

Vissa kalkstenar har ändrats genom införandet av magnesium i grundvatten. Magnesium i grundvatten kan omvandla en del av eller hela kalciten i kalkstenen till dolomit. Vissa stenar som bildades nära kusten av forntida hav i torra klimat var mestadels dolomit när de deponerades.

Kalkstengrotta: Stalaktiter hänger från taket, och stalagmiter stiger från golvet i Carlsbad Caverns, New Mexico, inom 260 miljoner år gammal kalksten. (National Park Service fotografi.)

Andra typer av karbonatrock

Kalksten finns i många olika sorter. Krita är en mycket finkornig, porös marin kalksten som nästan uteslutande består av mikroskopiska fossiler. Travertin är en sedimentär kalksten i sötvatten som har mycket tunna, krenulerade lager och som vanligtvis bildas vid fjädrar. Marmor är en karbonatberg, vanligtvis en marin kalksten, som har pressats och deformerats som plast av stor värme och tryck djupt under jordens yta. Denna process kallas "metamorfism." Det finns också sällsynta "magtiga" karbonatbergar som har kristalliserats från smält magma på samma sätt som lavor eller graniter. Dessa kallas "karbonatiter" och denna bergtyp bryts på några få platser i världen som industriell kalksten.

Gruvdrift karbonat stenar

Sedimentära kalkstenavlagringar kan vara omfattande och täcka hundratals kvadrat miles och kan vara relativt enhetliga i tjocklek och kvalitet. Därför kan kalkstenbrott vara stora och långlivade och bryta kalkstenlager som kan vara hundratals fot tjocka över områden på flera kvadrat miles. Många stenbrott producerar flera produkter, och krossade stenar som inte är rena nog för vissa användningar kan fortfarande vara lämpliga som vägaggregat. Marmorbrott kan också vara mycket stora. Emellertid har dessa stenar som en gång regelbundet bäddats omvandlats till oregelbundna formade kroppar som är svårare och dyrare att bryta.

I stora delar av USA finns omfattande avlagringar av marin kalksten i olika åldrar från några tusen till mer än 350 miljoner år gamla. Vissa avlagringar har kemiska kvaliteter upp till 95% CaCO₃. Vissa områden finns dock helt utan lämpliga kalkstenavlagringar. Merparten av kostnaden för kalksten till kunden bestäms av hur långt borta den kommer från och hur den skickas. Frakt med pråm på vatten är billigare än med tåg, vilket i sin tur är billigare än frakt med lastbil.

Användningar av kalksten

Kalksten har många industriella användningar och kan användas som brytas eller bearbetas till en mängd olika produkter. Det är råvaran för en stor mängd konstruktions-, jordbruks-, miljö- och industrimaterial.

Kalksten används i konstruktion nästan överallt. 2007 var krossad kalksten 68% av all krossad sten som producerats i USA. Kalksten är också den viktigaste ingrediensen i att göra Portland cement. Trots våra nationers överflöd av kalksten har det varit cementbrist de senaste åren.

Några av de renaste av naturliga kalkstenar är kulor. I århundraden har marmor varit en valfri dekorativ sten i regeringsbyggnader och statliga statyer. Travertin används också som en måttsten i plattor och bordsskivor. En del vit kalksten krossas och siktas för användning i landskapsarkitektur och tak.

Pulveriserad kalksten används för att ta bort föroreningar från smälta metaller som stål. Det kan också ta bort giftiga föreningar från avgaserna från kolförbränna kraftverk. Kalksten används som fyllmedel i en mängd olika produkter, inklusive papper, plast och färg. Den renaste kalkstenen används till och med i livsmedel och mediciner som frukostflingor och kalciumpiller.

Kalksten är också råmaterialet för framställning av kalk (CaO) som används för att behandla jord, rena vatten och smälta koppar. Kalk har många ytterligare användningsområden inom den kemiska industrin.

Dolomiter är vanligtvis mindre lämpliga än andra industriella kalkstenar för de flesta tillämpningar. De flesta dolomiter som bryts krossas och siktas för användning som aggregat i betong eller asfalt.

Portland Cement Brist

Portlandcement är en av de viktigaste produkterna tillverkade av kalksten. Det är viktigt i många konstruktionsapplikationer. USA är inte självförsörjande med cement och måste importera det från andra länder för att kompensera för brister. Importen av klinker (produkten från det första steget i cementtillverkning) och färdig cement svarade för cirka 23% av den totala amerikanska cementförsäljningen 2006. Under åren strax före 2007 var Portland cement bristfälligt levererat i Nationen. Konkurrens från andra länder, ett otillräckligt havstransportsystem och underskattade krav på lastutrymme var bland orsakerna.

När Portland cement var mycket bristfälligt ökade dess pris betydligt. Konsumenter sökte ersättare. De använde tryckbehandlat trä, isolerat stål och polystyren i paneler och till och med omdesignade byggnadsfot för att minska mängden cement som behövdes. Cementbrist orsakade också förseningar i byggandet som resulterade i ökade kostnader för vägar, broar och byggnader.

Källor till kalksten i framtiden

Att etablera nya kalkstenbrott och cementanläggningar i USA är en långsam process, och leveransbrister kräver tid att korrigera. Det tar ungefär två år att bygga en ny cementanläggning, och tillståndsprocessen kan ta mycket längre tid - 8 till 10 år. Kanske ett ännu mer utmanande problem är att människor kanske inte välkomnar nya stenbrott och växter till sitt område. Trots dessa hinder håller många amerikanska cementföretag på att utvidga och modernisera sin verksamhet.

När ett område med lämpligt och gruvbart berg uppslukas av stadstillväxt eller när gruvdrift blir förbjudet genom lagstiftning eller zonering kallas resultatet "resurssterilisering." Kalksten är ett material av nationell betydelse, och resurssterilisering kan resultera i en längre sträcka till en högre kostnad från stenbrott till kund.

Produktionsmönster för kalksten

Det mesta av den kalksten som bryts krossas för aggregering. Majoriteten av amerikansk krossad stenproduktion har kommit från kalksten under minst de senaste 40 åren. Detta är sant även om karbonatbergarter endast utgör 25 till 35% av klipporna vid ytan.

USAs krossade stenverksamhet har minskat i antal, cirka 20% förlust per decennium sedan 1971. Men från 2001 till 2006 ökade den totala årliga amerikanska kalkstenproduktionen enligt US Geological Survey (USGS) Mineral Commodity Summaries, så den genomsnittliga storleken på en stenbrottet ökar. I andra delar av världen kommer ny produktion främst från några mycket stora stenbrott. Trots ökad amerikansk produktion importerade nationen mer och mer av sina kalkstenprodukter fram till den senaste nedgången i byggandet. Denna import kommer främst från Kanada, Mexiko och Kina. Med färre stenbrott kommer det genomsnittliga dragavståndet att öka och kalkstenpriserna kommer sannolikt att öka en gång till.

Vissa problem i kalkstenbrytning

Kalksten bryts ofta från ett stenbrott. Men underjordiska kalkstengruvor finns på platser i centrala och östra USA, särskilt i och i närheten av städer. Underjordisk gruvdrift av kalksten har vissa fördelar jämfört med ytbrott och kommer antagligen att öka i framtiden. Typiska offentliga oro för kalkstenbrytning inkluderar damm, buller, sprängningsvibrationer och lastbilar och annan trafik i samband med stenbrott.

Vissa kalkstenar är också akviferer, det vill säga de är stenenheter som kan ge vatten till brunnar. Där kalksten är en akvifer, kan det vara oroligt att föroreningar från stenbrott kan komma ut i grundvattnet.

I många områden i USA där kalksten finns löses den gradvis upp i regnvatten vid ytan eller i grundvatten nära ytan. I fuktigt klimat upplöses stora volymer kalksten och transporteras bort i vattnet. Detta skapar grottor och sjunker kan utvecklas där grottens tak faller samman. I kavernösa kalkstenvattenmaskiner rör sig föroreningar i grundvatten mycket snabbare än i andra bergarter, så stenbrott i sådana områden är speciella problem.

Behovet av att förstå en väsentlig resurs

Kalksten är bland våra nationers viktigaste resurser. Vår förståelse av den resursen som ett industrimineral är dålig med tanke på dess betydelse för vår ekonomi. Eftersom kalksten har betraktats som en "vanlig" sten, var tidigare geologisk forskning begränsad i omfattning. Tidigare har de flesta USGS-forskning om kalksten fokuserat på kartläggning av insättningar, samt att förstå deras roller som vattenmassor och petroleumreservoarer. Men olika data behövs för att karakterisera kalksten som är lämplig för byggande och andra industrier. Karbonatstenar måste uppfylla kemiska renhetskrav som varierar beroende på avsedd användning. Vissa användningar kräver att kalkstenen också har vissa gynnsamma konstruktionsegenskaper. Standarder och krav för användning av kalksten ökar, och en större förståelse för kalkstenens egenskaper, variation och tekniska egenskaper behövs.

Kalksten är bland våra nationers viktigaste resurser. Vår förståelse av den resursen som ett industrimineral är dålig med tanke på dess betydelse för vår ekonomi. Eftersom kalksten har betraktats som en "vanlig" sten, var tidigare geologisk forskning begränsad i omfattning. Tidigare har de flesta USGS-forskning om kalksten fokuserat på kartläggning av insättningar, samt att förstå deras roller som vattenmassor och petroleumreservoarer. Men olika data behövs för att karakterisera kalksten som är lämplig för byggande och andra industrier. Karbonatstenar måste uppfylla kemiska renhetskrav som varierar beroende på avsedd användning. Vissa användningar kräver att kalkstenen också har vissa gynnsamma konstruktionsegenskaper. Standarder och krav för användning av kalksten stiger, och en större förståelse för kalkstenens egenskaper, variation och tekniska egenskaper behövs.

Amerikanskt industriellt konsumtion av kalksten

Både geologiska och ekonomiska gränser kommer säkert att påverka framtida leveranser av kalksten. Förenta staterna förbrukar för närvarande mellan 5 och 10% av den globala produktionen av industriell kalksten. 2007 var den inhemska produktionen av industriell kalksten cirka 1,3 miljarder ton, värderad till mer än 25 miljarder dollar. Samma år importerade nationen cirka 430 000 ton industriella kalksten- och kalkstenprodukter, värderade till cirka 2,2 miljarder dollar. De flesta av dessa importar var Portland cement.

Att möta utmaningen att tillhandahålla Americas behov av viktiga mineralvaror som industriell kalksten kräver exakta och opartiska vetenskapliga data. Forskarnas pågående arbete med USGS Mineral Resources Program ger den information som är avgörande för att skapa sund policy som kommer att hjälpa till att säkerställa framtida leveranser av mineralresurser.