Kalkstein ist ein äußerst variables Gestein; dies betrifft sowohl seine Entstehung als auch seine Eigenschaften, das Aussehen und die wirtschaftliche Verwendbarkeit. Es gibt daher innerhalb derGeologie eine eigene Fachrichtung, dieKarbonatsedimentologie, die sich ausschließlich mit der Entstehung und den Eigenschaften der verschiedenen Kalksteintypen befasst. Die meisten Kalksteine sind biogener Herkunft (von Lebewesen gebildet), es gibt aber auch chemisch ausgefällte undklastische Kalksteine.
Kalksteine besitzen eine enorme wirtschaftliche Bedeutung alsRohstoff für die Bauindustrie und alsNaturwerkstein. Des Weiteren sind solche LagerstättenSpeichergestein für Erdöl und Erdgas.
Der BegriffKalkstein (vonKalk, über mittelhochdeutsch/althochdeutschkalch, auchkalg, von lateinischcalx[2]) wird sowohl in der Umgangssprache als auch in der technischen und der wissenschaftlichen Fachsprache verwendet, aber mit unterschiedlichen Bedeutungen. Während man in der Wissenschaftssprache den Begriff relativ umfassend verwendet und außer den stark verfestigten Kalksteinen auch relativ mürbe Gesteine wie dieKreide den Kalksteinen zurechnet, ist der Begriff in der Baustoffindustrie eher auf stark verfestigte Kalke eingeschränkt. Weiterhin bezeichnet man imSteinmetz- undSteinbildhauerhandwerk und in der Naturwerksteinindustrie polierfähige Kalksteine oft als „Marmor“, obwohl sie im geologischen Sinne keine Marmore sind. Marmor ist in den Geowissenschaften einmetamorphes Gestein.
Kalkstein besteht überwiegend aus den MineralenCalcit undAragonit, zwei Kristallisationsformen von Calciumcarbonat (kohlensauresCalcium CaCO3). In unterschiedlichen Anteilen können andere Minerale wieTonminerale,Dolomit (CaMg(CO3)2),Quarz oderGips beteiligt sein. Überwiegt der Dolomitanteil, so spricht man vonDolomitstein. Besitzt der Kalkstein einen relativ hohen Anteil an Tonmineralen, so bezeichnet man ihn alsMergel. Kalkstein kann bis zu mehreren Prozent organische Substanz enthalten und wird bituminöser Kalk (bei Vorhandensein vonSchwefelwasserstoff auch Stinkkalk) genannt.
Kalkstein ist typisch hell, weiß bis ocker-farbig, je nach Gehalt anMangan-,Eisenoxiden und anderen farbigen Mineralien. MitHärte nach Mohs = 3 ist Kalkgestein relativ weich. Die Dichte von dichtem (= nicht porösem) Kalkstein ist 2,6 – 2,9 kg/dm3.[3]
Kalksteine können innerhalb derSedimentgesteine mehreren Typen angehören. Kalkstein erodiert, wird abgetragen, transportiert und an anderer Stelle als klastisches Sediment wieder abgelagert. Kalkstein kann ebenso auch durch chemische Prozesse (die wiederum von Lebewesen beeinflusst werden können) aus demWasserausgefällt werden.
Der überwiegende Teil der Kalksteine ist aber biogenen Ursprungs, das heißt, er wurde von Lebewesen gebildet und abgelagert.
Bei biogener Herkunft wird Kalkstein meistens vonMikroorganismen oderSteinkorallen abgelagert. Untergeordnet findet man auch Kalksteine, die zum überwiegenden Teil ausSchnecken,Muscheln oderSchwämmen bestehen. In jedem Fall besteht das Gestein ausCalciumcarbonat, welches Bestandteil der Lebewesen war und zum Aufbau vonAußen- oderInnenskeletten abgeschieden wurde.
Von Mikroorganismen abgelagerte Kalksteine sind für gewöhnlich feine, mikrokristallineSedimentgesteine wieKreide, die durch Ablagerung von Schalenfossiler Kleinstlebewesen, vor allemCoccolithen der Coccolithophoriden und Schalen derForaminiferen, entstanden sind. Auch kalkabscheidendeAlgen undBakterien (Stromatolithen) können gesteinsbildend sein. Man findet im Gestein aber auch unmittelbar aus dem Meerwasser ausgefälltenCalcit. Mehr oder weniger häufig und oft an eng begrenzte Lagen gebunden, finden sich mit bloßem Auge erkennbare Makrofossilien, die damit Übergangsstufen zu den Fossilkalken anzeigen. Bilden sich keine geschichteten Bank- oderPlattenkalke, spricht man vonMassenkalk.
Das Gestein entsteht, wenn nach dem Tod der Lebewesen die Schalen zu Boden sinken und zunächst sogenannte Kalkschlämme bilden. Kalkschlämme können sich im offenen Ozean jedoch nur bis zu einer bestimmten Tiefe bilden. Unterhalb der sogenanntenCarbonatkompensationslinie wird aufgrund des Wasserdruckes das Calciumcarbonat vollständig gelöst, so dass die Sedimente unterhalb dieser Linie stets carbonatfrei sind. Die Tiefe der Carbonatkompensationslinie schwankt; sie liegt in den Tropen zwischen 4500 und 5000 Meter Wassertiefe.
Durch dieDiagenese der Schlämme entsteht fester Kalkstein. Während der Verfestigung bilden sich neue Calcitkristalle. Dabei wird der größte Teil des ursprünglich vorhandenenAragonits in Calcit umgewandelt. So können Hohlräume mit später (sekundär) gebildeten Kristallen ausgefüllt oder durch starke Umkristallisierung die bestehenden Sedimentstrukturen mehr oder weniger vollständig verwischt werden.
Kreide ist ein weicher heller Kalkstein mit sehr feinkörnigerMatrix ausCoccolithen,Foraminiferen,[4] calcitischenDinoflagellatenzysten (Calcisphären) und amorphem Kalkschlamm mit großerPorosität, welche aber im Gegensatz zum Travertin optisch nur an der matten Oberfläche sowie am Saugverhalten zu erkennen ist.Im Süßwasser entstandene Kreide wird alsSeekreide bezeichnet.
Fossilkalke sind Gesteine oder Lagen innerhalb von sonstmassigen Kalksteinen, die zum überwiegenden Teil aus mit bloßem Auge sichtbaren Fossilien bestehen. Weltweit am häufigsten sindKorallenkalke, da durch das Wachstum von Korallenriffen und ihrem Zerfall bedeutende Gesteinsmächtigkeiten entstehen können. Andere, häufig zu findende Fossilkalke benennt man nach den überwiegenden GesteinsbildnernMolluskenkalk,Foraminiferenkalk (auchNummulitenkalk),Brachiopodenkalk,Bryozoenkalk,Goniatitenkalk,Crinoidenkalk und anderen.Nulliporenkalk entsteht durch kalkabscheidende, mehrzellige Algen. Gesteine mit Schalenresten abgestorbener Tiere bezeichnet man mitunter alsMuschelkalk, obwohl darin nicht nur Vertreter derMuscheln enthalten sein können. Wenn die Strukturen sehr deutlich sichtbar sind, ist die BezeichnungSchillkalkstein (Schill) üblich.
Bei den im Kalkstein erhaltenen Fossilien wird zwischenLebensgemeinschaften undGrabgemeinschaften unterschieden. Lebensgemeinschaften repräsentieren die an Ort und Stelle vorkommenden Organismen und werden unmittelbar nach ihrem Tod in das Sediment eingebettet oder sind als bodenbewohnende Lebewesen bereits eingebettet. Grabgemeinschaften werden durch Strömungen und andere Transportmechanismen verfrachtet und an bestimmten Stellen (z. B. im Stromschatten) wieder abgelagert. Die darin enthaltenen Lebewesen stammen oft nicht aus einem gemeinsamenBiotop.
Während Korallen- und andereRiffkalke recht festen Kalkstein bilden, durchlaufen die anderen Fossilkalke zunächst eine diagenetische Verfestigung ähnlich den oben erläuterten Massenkalken. Durch nachträgliche Umkristallisierungen in vorhandenen Hohlräumen können sich alle Fossilkalke, auch die Riffkalke, deutlich verändern.
Kalksinterablagerung aus einem römischen Aquädukt; gut erkennbar ist die unterschiedlich starke, aber dichte Sinterschichtung (Durchschnitt 1 mm/Jahr).
Natürlich vorkommendes Meer- und Süßwasser enthält immer mehr oder weniger vielCalciumhydrogencarbonat, das mit Calciumcarbonat,Kohlendioxid und Wasser in einem chemischen Gleichgewicht steht. Bei einer Aufkonzentration durch Verdunstung kommt es zur Ausfällung von Calciumcarbonat. Kalksteine können so Teil einerEvaporitserie sein.
Innerhalb derEindampfungsfolge wird Kalkstein wegen der vergleichsweise geringen Löslichkeit des Calciumcarbonats als erstes abgeschieden und tritt an der Basis der Gesteinsserie auf. Im Weiteren folgen meistGips und die leicht löslichen Salzgesteine wieSteinsalz. Im Meer können Calcitkristalle nur in den obersten 200 m abgeschieden werden, da in größeren Tiefen durch den zunehmenden Wasserdruck die Löslichkeit für Kohlendioxid zunimmt und sich das chemische Gleichgewicht hin zum gut löslichen Calciumhydrogencarbonat verschiebt. Calcit-Kristalle können aber bis zurCarbonatkompensationslinie absinken.
DerFällungsprozess des Calciumcarbonats kann ohne Beteiligung von Lebewesen ablaufen, wird aber meist durch die Aktivität von Lebewesen wie Algen und im Süßwasser auch Moosen unterstützt. DiePhotosynthese der Pflanzen verbraucht dasKohlendioxid im Wasser, wodurch sich das chemische Gleichgewicht zum Calciumcarbonat verschiebt, das als Calcit aus der Lösung ausfällt.
Die Fällung des Calcits geschieht sowohl innerhalb der Wassersäule als auch am Grunde von Gewässern direkt auf den Untergrund. Im ersten Fall bilden sich im Wasserkörper mikroskopisch kleine Kristalle, die zu Boden sinken. DieDiagenese der so entstandenen Kalkschlämme führt zu einem festen Kalkstein. Im zweiten Fall wachsen die Calcitkristalle direkt auf andere Kristalle am Gewässergrund auf, so dass die Gesteinsbildung auch in Fließgewässern möglich ist. Dieser Mechanismus ist für die Entstehung vonTravertin undKalktuff typisch.
Zu den chemisch ausgefällten Kalksteinen zählen auch die kalkigenOolithe, bei denen die Carbonatabscheidung konzentrisch um Kristallisationskeime herum erfolgte.
Kalkkonglomerat („Untersberger Marmor“)Riffschutt-KalksteinNahaufnahme vonMarès, ein Kalkarenit von der InselMallorca
Klastische Sedimentgesteine können unter bestimmten Bedingungen fast vollständig aus Calciumcarbonat bestehen und werden dann als Kalkstein bezeichnet. Jedoch gehören sie in eine der Kategorien der klastischen Sedimente. Aufgrund der geringen mechanischen und chemischen Widerständigkeit der Körner werden diese meist nur über kurze Entfernungen transportiert und abgelagert. Oft verbleiben nur die gröberen Sedimentpartikel.
Anschaulich sind sogenannte Riffhangbrekzien, bei denen sich am Fuße eines Korallenriffes abgebrochenes, meist eckiger Riffschutt ansammelt. Nach der Korngrößenabstufung und der Form derBioklasten handelt es sich dabei eher um eineBrekzie (Kalkbrekzie).
Ein besonderer Fall ist derKalkarenit, in dem fossile Bruchstücke mit Bruchstücken anderer Kalkgesteine vermischt sind, die in marinen Flachwasserzonen entstanden. In manchen Fällen bindet eine noch feinkörnigeremikritische Masse dieKlasten.
Einteilung der klastischen Kalksteine (nach der durchschnittlichen Korngröße):
Kalksteine besitzen in den meisten Fällen eine helle, graue bis graugelbe Farbe. Durch Beimengungen anderer Minerale wie Eisenverbindungen kommen aber auch kräftigere, vor allem rötliche Farbtöne vor. Bituminöse Kalksteine können dunkelgrau bis schwarz gefärbt sein. Chemisch ausgefällte Kalksteine oder von Mikroorganismen abgelagerte Kalksteine sind für gewöhnlich feinkörnig und dicht. Je nach Entstehungsbedingungen findet man dort mehr oder weniger häufig Fossilien. Fossilkalke besitzen hingegen zahlreiche gut erkennbare Fossilien. Diese Kalke enthalten oft Poren und andere Hohlräume. Große Hohlräume sind inSüßwasserkalken wieTravertin oderKalktuff enthalten.
In der Natur wird Kalkstein mit 10%iger Salzsäure nachgewiesen. Braust diese auf, so ist es Kalkstein.Dolomit braust dagegen nur wenn die Salzsäure erhitzt wird.
In der Praxis wird Kalkstein mittels 10%igerSalzsäure im sogenanntenCarbonattest (Kalktest) nachgewiesen. Wird auf einen Kalkstein ein Tropfen Salzsäure gegeben, so braust dieser stark auf, da Kohlendioxid freigesetzt wird. BeiDolomit verläuft derselbe Test ohne Aufbrausen. Eine Bläschenbildung wird bei Dolomit nur mit der Lupe sichtbar. Wird erhitzte Salzsäure auf Dolomit gegeben, braust dieser ebenfalls. Hiermit kann Kalkstein und Dolomit mit einfacher Methode unterschieden werden und Kalkstein eindeutig bestimmt. Der gesamte Calciumcarbonatgehalt eines Sedimentgesteins (oder auch kalkhaltigen Bodens) kann im Labor mit der „Carbonatbestimmung nach Scheibler“ mit spezieller Apparatur bestimmt werden.
Wegen der vergleichsweise guten Löslichkeit des Carbonats ist Kalkstein ein für die chemischeVerwitterung anfälliges Gestein und bildet spezielle Lösungsformen. Später kann das gelöste Carbonat wieder ausgefällt werden und Gesteine wie Kalktuff, Kalksinter und Travertin bilden. Beide Prozesse werden unter der Bezeichnung Verkarstung zusammengefasst. Durch Verkarstung geprägte Landschaftsformen werden alsKarst bezeichnet.Rendzina-Böden bilden sich über verwitterndem Kalkstein und sind für Karstgebiete typisch.
In Karstgebieten bilden sich Höhlen, wenn hydrographisch wegsamesSickerwasser den Kalkstein im Untergrund auflöst und die gelösten Anteile (Lösungsfracht) abtransportiert. Im Zusammenspiel verschiedener Faktorenkönnen sichTropfsteine alsKalksinter bilden.
Frostverwitterung von Kalkstein. Oberkreidezeitliche Decke des Hochkarstes im Orjen
Kalkstein verwittert leicht unter subarktischen und arktischen Klimaten sowie im Hochgebirge durch Frostsprengung und bildet dann kataklastischeBrekzien. Der spröde Stein ist bei Wechselfrösten sowie hoher Feuchtigkeit anfällig. Er verwittert zu periglazialen Lagen, wie sie rezent in den Kalkhochgebirgen sowie seltener in den arktischen Breiten flächig gefunden werden. Periglazialer Kalkfrostschutt sammelt sich an Nordhängen oder in beschatteten Mulden; er ist kantig und zeigt klimabedingt kaum Zeichen chemischer Verwitterung. Die sukzessive Besiedlung durch Pflanzen führt in den Alpen über die Flora der Kalkschutt- oder Kalkschneetälchen und Spaliersträuchern zu Bergkiefergebüschen.
Je nach ihren Eigenschaften sind Kalksteine vielseitig verwendbar. Auch dichte Kalksteine sind meist leicht zu bearbeiten und werden alsNaturwerksteine verwendet.
Für die Baustoffindustrie ist Kalkstein einer der wichtigsten Rohstoffe. Dafür wird er inKalkwerken aufbereitet und zuBranntkalk umgesetzt. Je nach Lagerstätte hat der Kalkstein beim Brennen ein unterschiedliches Verhalten hinsichtlich der Kinetik, des Energieverbrauchs und der entstehenden Branntkalkqualität.[5] Er wird gemahlen und mit tonigen Materialien vermischt zuZement gebrannt, welcher das Bindemittel für die Herstellung von Beton (Gemisch aus Zement, Wasser undZuschlagstoffen wie Sand und Kies) ist. Kalkstein wird in der Glasindustrie verwendet, da es Calcium in die Glasschmelze einbringt.
Als Carbonat dient Kalkstein derRauchgasentschwefelung. Fein gemahlener Kalkstein wird in der Land- und Wasserwirtschaft gegen die Versauerung vonBöden und Gewässer benutzt. Die Calciumverbindung findet als Zuschlag in der Glasindustrie und zur Schlackebildung in der Hüttenindustrie Verwendung. Auf Grund seiner Zusammensetzung wird Kalkstein auch alsDüngemittel eingesetzt.
Sehr reine Kalksteine (Weißkalk) sind Rohstoff für die chemische Industrie oder werden zu Terrazzo weiterverarbeitet (Ulmer Weißkalk).
Poröse Kalksteine, vor allem die Fossilkalke, sind eines der wichtigsten Speichergesteine fürErdöl undErdgas. Die reichsten Erdöllagerstätten der Erde auf derArabischen Halbinsel befinden sich in Riffkalken, die imJura und in derKreidezeit entstanden sind. Deshalb dient Kalkstein als Indikator bei der Prospektion von Lagerstätten.
Kalksteine geringerer Qualität, die normalerweise als Abfallprodukte betrachtet wurden, wurden in den letzten Jahren verstärkt zur Herstellung vonSteinpapier eingesetzt.[6]
Ansicht der Gipfelpyramide des Mount Everest (zirka obere 1500 Höhenmeter) von Westen, mit dem deutlich sichtbaren Gelben Band im oberen Teil. Darunter die dunklen Schiefer der North-Col-Formation. Oberhalb des Gelben Bandes, in relativ hellem Grau, der Kalkstein der Qomolangma-Formation.
Kalksteine sind auf den Kontinenten und Schelfen sehr weit verbreitete Gesteine. Nach Angaben von Paul Williams und Derek Ford bedecken Karbonatsteine 10–15 % der nicht vereisten Landfläche.[7] Man findet sie sowohl auf relativ alten geologischenTafeln als auch in geologisch jungenGebirgen. Innerhalb der sehr altenSchilde und den tiefen Meeresbecken treten sie jedoch zurück. Der allergrößte Teil der Kalksteine wurde ursprünglich im (Flach-)Meer gebildet und durch tektonische Prozesse über den Meeresspiegel gehoben. Terrestrische (auf dem Festland gebildete) Kalksteine benötigen fast immer ältere Kalksteinvorkommen in der Nähe, die als Liefergebiet des Calciums notwendig sind. Zum Beispiel sind die Kalktuffvorkommen in Thüringen immer an das Vorhandensein der Kalksteine aus dem Muschelkalk gekoppelt.
Besonders verbreitet sind Kalksteine in der nördlichen Hemisphäre. Die alten Gondwana-Kontinente sind durch relativ kleine Vorkommen besetzt, außer an ihren Rändern mit flächig jüngeren kreidezeitlichen Kalkserien wie den Nullarbor Plain in Australien. Karbonate finden sich in allen Breitengraden sowie in allen Höhen der Erdoberfläche, vom nördlichen Sibirien und dem arktischen Kanadischen Schild bis zum Mount Everest sowie Florida oder Papua-Neuguinea. So ist auch der Gipfel des Mount Everest überwiegend aus Kalkstein aufgebaut.[8]
Karren imBurren, großflächige Karstlandschaft in IrlandDie mächtigste Kalkserie Europas ist in der Dinarischen Karbonatplattform ausgebildet. Oberkreidezeitliche gebankte Kalke im Orjen.
Große Kalksteinvorkommen befinden sich in Mitteleuropa inBelgien (Hennegau, Wallonie), im mittleren und südlichen Teil Deutschlands (dort vor allem Kalksteine aus demMuschelkalk und dem oberen Jura), im Schweizer und Französischen Jura sowie in den nördlichen und südlichenAlpen. Weiterhin sind Kalksteine auch alseiszeitlichesGeschiebe in Norddeutschland häufig zu finden. Die Kalksteingeschiebe stammen dabei meist aus Süd- und Mittelschweden sowie aus dem mittleren und nördlichen Ostseebecken.
Kreide tritt an zahlreichen Standorten entlang des europäischen Kreidegürtels zutage. Der Gürtel reicht vonGroßbritannien überFrankreich bis in die mittlereOstsee und wird stellenweise auch abgebaut.
Seit dem Altertum wird Kalkstein abgebaut, wie beispielsweise in der römischen Zeit auf der InselBrač (Baumaterial desDiokletianspalastes inSplit) intensiv praktiziert. Zu einer der ältesten Abbaustätten für Kalkstein in Deutschland zählt der historischeKalksteinbruch Rüdersdorf inBrandenburg, der auf die Arbeit derZisterzienser im 13. Jahrhundert zurückgeht.
Im Alten Ägypten fand Kalkstein seit derersten Dynastie als Baumaterial für dieMastabas und in der dritten bis sechsten Dynastie für diePyramiden Verwendung. Dabei wurde der weniger gute, meist poröse Kalkstein für Fundamente und Kernbauten, der meist weiße, feine Kalkstein von östlichen Nilufer aus Mokkatam und Tura für Außenverkleidungen verwendet.[9]Eine ausführliche Bestimmung der altägyptischen Kalksteinbrüche wurde vonDietrich Klemm undRosemarie Klemm vorgenommen.[10]
Kalkstein wird weltweit in großem Maßstab abgebaut, im Jahr 2020 entsprach das einer Menge von 427 Millionen Tonnen. Mit Abstand größter Produzent ist dabei dieVolksrepublik China, deren Anteil im Jahr 2020 fast 72 % entsprach. Die vorhandenen Reserven an Kalkstein werden als sehr groß beschrieben. Eine Knappheit ist nicht zu befürchten. Einen Überblick über die Verteilung des weltweiten Abbaus gibt folgende Tabelle:[11]
↑Vgl.Helmut Gebelein:Das Element Feuer in Haushalt und Familie. In: Trude Ehlert (Hrsg.):Haushalt und Familie in Mittelalter und früher Neuzeit. Sigmaringen 1991,ISBN 978-3-7995-4156-5, S. 137–151, hier: S. 147.
↑Sam Boggs:Principles of sedimentology and stratigraphy. 4th Auflage. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. 2006,ISBN 0-13-154728-3,S.172 (englisch).
↑Hartmut Kainer:Kopplung von Wärme- und Stoffaustausch mit chemischer Kinetik bei der Zersetzung von natürlichen Karbonaten. Dissertation. TU Clausthal, Dezember 1982.
↑Paul W. Williams, Derek C. Ford:Global distriguion of carbonate rocks. In:Karl-Heinz Pfeffer (Hrsg.):Karst Sheets 18–21. International Atlas of Karst Phenomena (=Zeitschrift für Geomorphologie. Supplementband 147). Gebrüder Bornträger, Berlin u. a. 2006,ISBN 3-443-21147-X, S. 1–2.
↑Paul W. Williams, Derek C. Ford:Global distriguion of carbonate rocks. In:Karl-Heinz Pfeffer (Hrsg.):Karst Sheets 18–21. International Atlas of Karst Phenomena (=Zeitschrift für Geomorphologie. Supplementband 147). Gebrüder Bornträger, Berlin u. a. 2006,ISBN 3-443-21147-X, S. 1–2, hier S. 2.
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