Kalkkikivi: Kalsiumkarbonaatin kemiallinen settekivi

Sisältö

• Mikä on kalkkikivi?
• Kuinka kalkkikivi muodostuu?
• Dolomiitin muodostuminen kalkkikivestä
• Muun tyyppinen karbonaattikivi
• Kaivoskarbonaattikiviä
• Kalkkikiven käyttö
• Portlandsementin pula
• Kalkkikivien lähteet tulevaisuudessa
• Kalkkikivi tuotantomallit
• Joitakin kalkkikiven kaivostoiminnan aiheita
• Tarve ymmärtää olennainen resurssi
• Yhdysvaltojen kalkkikiven teollinen kulutus

Kalkkikivellä tehdyt tuotteet: Kalkkikivi on kansallisesti tärkeä mineraalituote. Jotkut monista kalkkikivellä valmistetuista tuotteista esitetään tässä valokuvassa: aamiaismurot, maali, kalsiumlisätabletit, marmoripöytä, antasiditabletit, korkealaatuinen paperi, valkoiset kattorakeet ja portlandsementti. (USGS-valokuva; kauppa-, yritys- tai tuotenimien käyttö on tarkoitettu vain kuvaileviin tarkoituksiin, eikä se tarkoita Yhdysvaltojen hallituksen hyväksyntää.)

Indiana kalkkikivi Apex-rakennuksessa: Monet rakennukset Kansakuntien pääkaupungissa ovat kalkkikiveä. Apex-rakennuksella / liittovaltion kauppakomissiolla on Indianan kalkkikiven yläpinta. (USGS-valokuva.)

Mikä on kalkkikivi?

"Kalkkikivellä" tarkoitetaan mitä tahansa kivia, joka muodostuu pääasiassa kalsiumkarbonaatista (CaCO₃), mutta geologeille kalkkikivi on vain yksi monista tyypeistä "karbonaattikiviä". Nämä kivet koostuvat yli 50% karbonaattimineraaleista, yleensä mineraaleista kalsiitista (puhdas CaCO₃) tai dolomiitti (kalsium-magnesiumkarbonaatti, CaMg₂) tai molemmat.

Kuinka kalkkikivi muodostuu?

Suurin osa karbonaattikiveistä talletettiin merivedestä. Nämä sedimenttikarbonaattikivet ovat yleisiä kaikilla mantereilla ja muodostuneet suurimman osan geologisesta historiasta; ne ovat edelleen muodostumassa tropiikissa koralliriuttoina ja matalien merien pohjoissa.

Meren kalkkikivi muodostuu, koska merivedessä on korkeat pitoisuudet kahta keskeistä liuennut kemikaalia - kalsiumia (Ca⁺⁺) ja bikarbonaatti (HCO_3-) ionit. Useimpien valtamerten pintakerroksessa korallit, simpukat ja muut meressä asuvat olennot käyttävät näitä kahta kemikaalia suojakuorien valmistukseen yhdistämällä ne kalsiitin tai "aragoniitin" muodostamiseksi, joka on sama kemiallinen koostumus kuin kalsiitti, mutta jolla on erilainen kidemuoto.

Uppoaukko Winter Parkissa, Floridassa: Pinta- ja pohjavedet voivat liuottaa ja kuljettaa suuria määriä kalkkikiveä. Tämä luo luolia, kuten Carlsbadin luolia New Mexico (kuva alla). Kosteassa ilmastossa luolanmuodostuminen on erityisen yleistä, ja siellä voi kehittyä rakoaukkoja, joissa luolakatot romahtavat. Maanpinnan yläpuolella oleva noin 240 metrin poikkipinta-ala aukko avattiin vuonna 1981 Floridassa, Winter Parkissa, kun alla olevan kalkkikiviluolin katto romahti. Luola ja pesäreikä ovat Cypresshead-muodostelmassa, joka on tärkeä pohjavesialue Floridassa. Kavernoosissa kalkkikivikerroksissa pohjaveden epäpuhtaudet liikkuvat paljon nopeammin kuin muun tyyppisissä kivimuodoissa, joten tällaisten alueiden louhokset ovat erityinen huolenaihe. (USGS-valokuva.)

Dolomiitin muodostuminen kalkkikivestä

Joitakin kalkkikivejä on muutettu lisäämällä magnesiumia pohjaveteen. Pohjaveden magnesium voi muuntaa osan tai kokonaan kalkkikivessä olevan kalsiitin dolomiitiksi. Jotkut muinaisten merien lähellä kuiviin ilmastoihin muodostuneet kivet olivat enimmäkseen dolomiittia niiden talletushetkellä.

Kalkkikivi luola: Stalaktiitit roikkuvat katosta, ja stalagmiitit nousevat Carlsbadin luolien lattialta, New Mexico, 260 miljoonan vuoden ikäisestä kalkkikivestä. (Kansallispuiston palvelun valokuva.)

Muun tyyppinen karbonaattikivi

Kalkkikiveä on monia erilaisia. Kalkki on erittäin hienorakeinen, huokoinen meri kalkkikivi, joka koostuu melkein kokonaan mikroskooppisista fossiileista. Travertiini on makean veden sedimenttinen kalkkikivi, jolla on hyvin ohuet, kaareutuneet kerrokset ja joka muodostuu yleisesti jousista. Marmori on karbonaattikivi, yleensä meren kalkkikivi, joka on puristettu ja muodonmuutos muovin tavoin suurella lämmöllä ja paineella syvällä maapallon alla. Tätä prosessia kutsutaan "metamorfismiksi". On myös harvinaisia ​​"tahrattomia" karbonaattikiviä, jotka ovat kiteytyneet sulasta magmasta samalla tavalla kuin laavat tai graniitit. Näitä kutsutaan "hiilihiileiksi", ja tätä kivityyppiä louhitaan muutamassa paikassa maailmaa teollisuuskalkkikiveä.

Kaivoskarbonaattikiviä

Sedimenttiset kalkkikiviesiintymät voivat olla laajoja, kattaa satoja neliökilometriä, ja niiden paksuus ja laatu voivat olla suhteellisen tasaiset. Siksi kalkkikivilouhokset voivat olla suuria ja pitkäikäisiä, kaivosten kalkkikiven kerroksia, jotka voivat olla satoja jaloja paksuja useiden neliökilometrien alueilla. Monet louhokset tuottavat useita tuotteita, ja murskatut kivet, jotka eivät ole riittävän puhtaita tiettyihin käyttötarkoituksiin, voivat silti olla sopivia tien aggregaattina. Marmorilouhokset voivat olla myös erittäin suuria. Nämä kivit, jotka olivat kerran säännöllisesti peitetty, on kuitenkin metamorfoitu epäsäännöllisen muotoisiksi kappaleiksi, jotka ovat vaikeampia ja kalliimpia kaivokselleni.

Suurissa osissa Yhdysvaltoja on laaja-alaisia ​​meren kalkkikiveä, joiden ikä on muutamatuhatta yli 350 miljoonaa vuotta. Joissakin talletuksissa on kemiallisia laatuja jopa 95% CaCO₃. Joillakin alueilla on kuitenkin täysin ilman sopivia kalkkikiveä. Suurin osa kalkkikiven kustannuksista asiakkaalle määräytyy sen mukaan, kuinka kaukana se tulee ja miten se lähetetään. Laivan kautta tapahtuva merenkulku on halvempaa kuin junalla, mikä puolestaan ​​on halvempaa kuin rekkakuljetus.

Kalkkikiven käyttö

Kalkkikivellä on monia teollisia käyttötarkoituksia, ja sitä voidaan käyttää louhituna tai jalostaa monenlaisiin tuotteisiin. Se on raaka-aine monenlaisille rakennus-, maatalous-, ympäristö- ja teollisuusmateriaaleille.

Kalkkikiveä käytetään rakennuksessa melkein kaikkialla. Vuonna 2007 murskattu kalkkikivi oli 68% kaikesta Yhdysvalloissa tuotetusta murskatusta kivestä. Kalkkikivi on myös avainasemassa valmistettaessa portlandsementtiä. Huolimatta siitä, että kansakuntien kalkkikivi on runsaasti, viime vuosina on ollut sementtipulaa.

Jotkut puhtaimmista luonnollisista kalkkikiveistä ovat marmoria. Marmori on vuosisatojen ajan ollut valittu koristekivi hallinrakennuksissa ja julkisissa patsaissa. Travertiinia käytetään myös mittakivenä laattoissa ja pöytätasoissa. Jotkut valkoiset kalkkikivet murskataan ja seulotaan yksinkertaisesti maisemointiin ja kattoihin.

Jauhemaista kalkkikiveä käytetään epäpuhtauksien poistamiseen sulasta metallista, kuten teräksestä. Se voi myös poistaa myrkyllisiä yhdisteitä hiilen polttavien voimalaitosten pakokaasuista. Kalkkikiveä käytetään täyteaineena monissa tuotteissa, mukaan lukien paperi, muovi ja maali. Puhdasta kalkkikiveä käytetään jopa elintarvikkeissa ja lääkkeissä, kuten aamiaismuroissa ja kalsiumtableteissa.

Kalkkikivi on myös raaka-aine kalkin (CaO) valmistukseen, jota käytetään maaperän, veden puhdistamiseen ja kuparin sulattamiseen. Kalkilla on monia lisäkäyttöä kemianteollisuudessa.

Dolomiitit ovat yleensä vähemmän sopivia kuin muut teolliset kalkkikivet useimpiin sovelluksiin. Suurin osa louhittavasta dolomiitista murskataan ja seulotaan käytettäväksi betonina tai asfalttina.

Portlandsementin pula

Portlandsementti on yksi tärkeimmistä kalkkikivestä valmistetuista tuotteista. Se on välttämätöntä monissa rakennussovelluksissa. Yhdysvallat ei ole omavarainen sementin suhteen, ja sen on tuotava sitä muista maista puutteiden korjaamiseksi. Klinkerin (sementin valmistuksen ensimmäisestä vaiheesta peräisin olevan tuotteen) ja valmiin sementin tuonti oli noin 23% Yhdysvaltain sementin kokonaismyynnistä vuonna 2006. Aivan ennen vuotta 2007 Portlandsementistä oli valtakunnassa puutetta vakavasti. Muiden maiden kilpailu, riittämätön merikuljetusjärjestelmä ja aliarvioidut lastitilavaatimukset olivat syitä.

Kun portlandsementtiä oli hyvin vähän, sen hinta nousi merkittävästi. Kuluttajat etsivät korvikkeita. He käyttivät paneeleissa painekäsiteltyä puuta, eristettyä terästä ja polystyreeniä ja jopa uudistivat rakennusjalkojen tarvittavan sementin määrän vähentämiseksi. Sementtipula aiheutti myös rakennusviiveitä, jotka lisäsivät teiden, siltojen ja rakennusten kustannuksia.

Kalkkikivien lähteet tulevaisuudessa

Uusien kalkkikivilouhoksien ja sementtitehtaiden perustaminen Yhdysvaltoihin on hidasta, ja toimitusvajeiden korjaaminen vaatii aikaa. Uuden sementtitehtaan rakentaminen vie noin 2 vuotta, ja lupaprosessi voi viedä paljon kauemmin - 8-10 vuotta. Ehkä vielä haastavampi ongelma on se, että ihmiset eivät ehkä toivota uusia louhoksia ja kasveja alueelleen. Näistä esteistä huolimatta monet yhdysvaltalaiset sementtiyritykset laajentavat ja nykyaikaistavat toimintaansa.

Kun kaupunkien kasvu nielaisee sopivan ja kaivattavan kiven alueen tai kun kaivostoiminta kielletään lailla tai alueilla, tulosta kutsutaan "luonnonvarojen sterilointi". Kalkkikivi on kansallisesti tärkeä materiaali, ja luonnonvarojen sterilointi voi johtaa pidempään kuljetukseen kalliimmista louhoksista asiakkaisiin.

Kalkkikivi tuotantomallit

Suurin osa louhitusta kalkkikivistä murskataan kiviainekseen. Suurin osa Yhdysvaltojen murskakivituotannosta on tullut kalkkikivestä ainakin viimeisen 40 vuoden aikana. Tämä on totta, vaikka karbonaattikiviä on vain 25-35% kivistä pinnan pinnalla.

USA: n murskauskivitoimintojen lukumäärä on vähentynyt, noin 20%: n menetykset vuosikymmenessä vuodesta 1971. Vuodesta 2001 vuoteen 2006 Yhdysvaltojen kalkkikiven kokonaistuotanto kuitenkin kasvoi Yhdysvaltain geologisen tutkimuksen (USGS) mineraalihyödykkeiden yhteenvetojen mukaan, joten louhos kasvaa. Muualla maailmassa uusi tuotanto tulee lähinnä muutamista erittäin suurista louhoksista. Lisääntyneestä Yhdysvaltain tuotannosta huolimatta kansakunta toi yhä enemmän kalkkikivituotteita rakennuksen viimeaikaiseen taantumaan saakka. Tuonti tulee pääasiassa Kanadasta, Meksikosta ja Kiinasta. Kun louhoksia on vähemmän, keskimääräinen vetoetäisyys kasvaa, ja kalkkikiven hinnat nousevat todennäköisesti vielä kerran.

Joitakin kalkkikiven kaivostoiminnan aiheita

Kalkkikivi louhitaan useimmiten louhoksesta. Maanalaisia ​​kalkkikivikaivoksia löytyy kuitenkin paikoista Yhdysvaltojen keski- ja itäosissa, etenkin kaupungeissa ja niiden lähellä. Kalkkikiven maanalaisella louhinnalla on joitain etuja pinta louhintaan nähden, ja se todennäköisesti kasvaa tulevaisuudessa. Tyypillisiä yleisiä huolenaiheita kalkkikivikaivoksesta ovat pöly, melu, räjähdys tärinä sekä kuorma- ja muu louhintaan liittyvä liikenne.

Jotkut kalkkikivet ovat myös pohjavesiä, ts. Ne ovat kallioyksiköitä, jotka voivat tuottaa vettä kaivoihin. Jos kalkkikivi on pohjavesikerros, voi olla huolta siitä, että louhintatoimintojen epäpuhtaudet voivat päästä pohjaveteen.

Monilla Yhdysvaltojen alueilla, joilla kalkkikiveä löytyy, se liukenee vähitellen sadeveteen pinnan pinnalla tai pinnan läheisyyteen. Kosteassa ilmastossa suuret määrät kalkkikiveä liukenevat ja kulkeutuvat veteen. Tämä luo luolia, ja siemenreiät voivat kehittyä sinne, missä luolakatot romahtavat. Kavernoosissa kalkkikivikerroksissa pohjaveden epäpuhtaudet liikkuvat paljon nopeammin kuin muun tyyppisissä kivimuodoissa, joten tällaisten alueiden louhokset ovat erityinen huolenaihe.

Tarve ymmärtää olennainen resurssi

Kalkkikivi on kansakuntiemme tärkeimpiä resursseja. Meidän käsitys kyseisestä luonnonvarasta teollisuusmineraalina on heikko, kun otetaan huomioon sen merkitys taloudellemme. Koska kalkkikiveä on pidetty "tavallisena" kivinä, aikaisemman geologisen tutkimuksen laajuus oli rajoitettu. Aikaisemmin suurin osa USGS: n kalkkikiveä koskevasta tutkimuksesta on keskittynyt saostumien kartoittamiseen ja niiden roolien ymmärtämiseen pohjavesien pohjana ja öljysäiliöinä. Rakennus- ja muulle teollisuudelle sopivan kalkkikiven karakterisoimiseksi tarvitaan kuitenkin erilaisia ​​tietoja. Karbonaattikivien on täytettävä kemialliset puhtausvaatimukset, jotka vaihtelevat käyttötarkoituksen mukaan. Jotkut käyttötavat edellyttävät, että kalkkikivellä on myös tiettyjä suotuisia teknisiä ominaisuuksia. Kalkkikiven käyttöä koskevat standardit ja vaatimukset nousevat, ja kalkkikiven ominaisuuksien, vaihtelevuuden ja teknisten ominaisuuksien ymmärtäminen on tarpeen.

Kalkkikivi on kansakuntiemme tärkeimpiä resursseja. Meidän käsitys kyseisestä luonnonvarasta teollisuusmineraalina on heikko, kun otetaan huomioon sen merkitys taloudellemme. Koska kalkkikiveä on pidetty "tavallisena" kivinä, aikaisemman geologisen tutkimuksen laajuus oli rajoitettu. Aikaisemmin suurin osa USGS: n kalkkikiveä koskevasta tutkimuksesta on keskittynyt saostumien kartoittamiseen ja niiden roolien ymmärtämiseen pohjavesien pohjana ja öljysäiliöinä. Rakennus- ja muulle teollisuudelle sopivan kalkkikiven karakterisoimiseksi tarvitaan kuitenkin erilaisia ​​tietoja. Karbonaattikivien on täytettävä kemialliset puhtausvaatimukset, jotka vaihtelevat käyttötarkoituksen mukaan. Jotkut käyttötavat edellyttävät, että kalkkikivellä on myös tiettyjä suotuisia teknisiä ominaisuuksia. Kalkkikiven käyttöä koskevat standardit ja vaatimukset nousevat, ja kalkkikiven ominaisuuksien, vaihtelevuuden ja teknisten ominaisuuksien ymmärtäminen on tarpeen.

Yhdysvaltojen kalkkikiven teollinen kulutus

Sekä geologiset että taloudelliset rajat vaikuttavat varmasti kalkkikiven tulevaisuuteen. Yhdysvallat kuluttaa tällä hetkellä 5–10 prosenttia teollisen kalkkikiven maailmanlaajuisesta tuotannosta. Vuonna 2007 teollisuuden kalkkikiven kotimainen tuotanto oli noin 1,3 miljardia tonnia, jonka arvo oli yli 25 miljardia dollaria. Samana vuonna kansakunta toi noin 430 000 tonnia teollisuuden kalkkikiveä ja kalkkikivituotteita, joiden arvo oli noin 2,2 miljardia dollaria. Suurin osa tuonnista oli portlandsementtiä.

Amerikan tärkeiden mineraalituotteiden, kuten teollisen kalkkikiven, tarpeiden tyydyttäminen Amerikassa tarvitsee tarkkoja ja puolueettomia tieteellisiä tietoja. Tutkijoiden meneillään oleva työ USGS Mineral Resources -ohjelman kanssa tarjoaa tärkeitä tietoja sellaisen terveen politiikan luomiseksi, joka auttaa varmistamaan mineraalivarojen saatavuuden tulevaisuudessa.