Die "Steinerne Rinne" am Berg südlich Erasbach/Opf.

Verkarstungsgeschehen


Generell kennzeichnet der Begriff Verkarstung die Auflösung vor allem von Kalk- und Dolomitgesteinen, aber auch Stein- und Kalisalzen, Anhydriten, Gipsen sowie des kalkreichen Löß durch das mit (aus der Luft und aus dem Oberboden stammende) Kohlendioxid angereicherte Niederschlagswasser. Dieser Vorgang bedingt eine charakteristische Ausbildung der geologischen Landschaftsgestaltung, welche geprägt ist durch verstärkte Lösungsvorgänge, die sowohl die Formen der Landoberfläche als auch die Wasserwegsamkeit im Untergrund bestimmen.

Filmaufnahmen Steinerne Rinne Erasbach.

Im humiden Klima spielen die oberflächennahen Verkarstungsvorgänge von Salzen, Anhydriten und Gipsen keine bedeutsame Rolle; für die Oberflächengestaltung sind diese Gesteine nur insofern wichtig, als daß sie Subrosionsprozesse bewirken können. Unter den weniger leicht löslichen Karbonatgesteinen sind Kalke am meisten, Dolomite am wenigsten löslich. Am geringsten sind silikatisch gebundene Gesteine lösbar; sie bilden nur selten und lediglich oberflächlich karstähnliche Formen aus.

Karbonatgesteine wie Kalke und Dolomite sind von Natur aus zwar nahezu wasserundurchlässig; bereits bei geringen tektonischen Dislokationen bilden sich jedoch in diesen relativ harten, aber spröden Gesteinen feine Haarrisse, Klüfte und Störungsflächen aus. In diese Trennflächen kann CO2-reiches Niederschlagswasser eindringen, wobei es im Winter nicht selten zur Erweiterung dieser Trennflächengefüge durch Frostsprengung kommt, so daß das Niederschlagswasser immer tiefer in den Gesteinskörper einsickert. Da das CO2-reiche Wasser durch die Trennfugen im Gebirge schnell nach unten fließt, übt es seine gesteinsauflösende Funktion besonders stark im Innern des Gebirges aus. Hier entstehen im Laufe der Zeit teils beträchtliche Hohlräume.

Als Folge der relativ offenen Lösungshohlräume und hohen Durchlässigkeiten erfolgt oft ein rascher Durchsatz des infiltrierten Niederschlagswassers. Hieraus resultiert bei Karstquellen häufig eine stark schwankende Wasserführung, die nach Niederschlägen rasch zu einem Schüttungsmaximum ansteigen, bald danach wieder erheblich zurückgehen und nach längeren niederschlagsfreien Perioden vollständig ausbleiben kann. Derartige Bedingungen sind vor allem im "Seichten Karst" vorhanden: Hier streicht die Verkarstungsbasis über der Vorflut aus, so daß sich der "Leerlauf-Effekt" des Karstwasserspeichers in trockenen Winterperioden häufig bemerkbar macht.

Die Korrosion von Karbonaten ist erst durch die Anwesenheit von Wasser und Kohlendioxid (CO2) möglich. Reine atmosphärische Luft enthält etwa 0,035 Vol.-% CO2. Im Niederschlagswasser sind stets atmosphärische Gase gelöst, so auch Kohlendioxid; dieses nur mit atmosphärischen CO2 angereicherte Regenwasser kann bereits 40 mg/l Kalk lösen.

Beim Eindringen und Durchsickern des Bodens nimmt das Niederschlagswasser ein Vielfaches an CO2 auf, welches in der bodennahen Luftschicht und im Boden selbst (aufgrund der Zersetzung pflanzlicher und tierischer Reste) durchschnittlich zu 5 Vol.-% enthalten ist. BÖGLI (1978) konnte in einem humosen Boden auf 1650 m NN sogar einen CO2-Gehalt von 8,3 Vol.-% beobachten: Dies bedingt in einem +10°C warmen Wassers einen CO2-Gehalt von 19.500 mg/l, wovon 136 mg/l hydratisiert sind. Wasser mit hohem CO2-Gehalt kann 200 mg/l Kalkstein und CO2-gesättigtes Wasser sogar 900 mg/l Kalk auflösen.

Der Kohlendioxid-Gehalt des Wassers wird neben dem Partialdruck hauptsächlich durch dessen Temperatur bestimmt: Bei einer Temperaturerhöhung des Wassers von 0°C auf +20°C nimmt sein Gehalt an freier Kohlensäure um etwa die Hälfte ab. Bei Druckzunahme wird die Löslichkeit des CO2 im Wasser (und damit seine Lösungskraft) erhöht. Druck erhöht aber auch die Dissoziation der Kohlensäure und damit die Lösungsfähigkeit des Wassers bei gleichbleibenden Kohlensäuregehalt.

Bei der Kalziumkarbonat-Verkarstung ist das System CO2 - H2O - (Ca,Mg)*CO3 für die Lösungsvorgänge als auch bei der Wiederausscheidung bestimmend und kann n. BÖGLI (1978) am Beispiel des Kalziums durch eine Reihe von Reaktionsgleichungen beschrieben werden:

[1] Zunächst wird eine geringe Kalkmenge durch das Wasser direkt -- also ohne Beteiligung von CO2 -- gelöst.

Das Löslichkeitsprodukt von CaCO3 beträgt bei +10°C in destillierten Wasser Lp = 4,0 * 10-9, wobei dieser Lösungsvorgang sehr rasch verläuft.

[2] Im Niederschlagswasser diffundiert atmosphärisches CO2 in das Wasser hinein:

CO2 + H2O <--> CO2 (physikalisch gelöst)

[3] Das physikalisch gelöste CO2 ist bei +4°C zu 0,75% hydratisiert:

CO2 + H2O <--> H2CO3

[4] Die Kohlensäure dissoziiert vollständig:

H2CO3 <--> H+ + HCO3 -

[5] An der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein werden Ca2+ -lonen aus dem Kristallgitter herausgelöst:

CaCO3 <--> Ca2+ + CO3 2-

[6] Das bei Gleichung [5] neu entstandene CO3 2- assoziiert mit dem H+ aus Gleichung [4]:

H+ + CO3 2- <--> HCO3 -

Durch die Reaktion in Gleichung [6] verarmt entlang der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein die Lösung an CO3 2-. Hierdurch wird das Lösungs-Gleichgewicht mit dem festen CaCO3 gestört, wodurch das Löslichkeitsprodukt Lp nicht mehr dem Ionenprodukt entspricht:

LP (+10°C) = [Ca2+] * [CO3 2-] = 4,0 * 10-9

Um das verbrauchte CO3 2- zu ersetzen und hierdurch das Ionenprodukt wieder auf den Wert der Konstanten Lp zu bringen, geht wieder (nach Gleichung [5]) CaCO3 in Lösung, wobei die Ca 2+ -Ionen gegenüber dem CO3 2- überwiegen.

Durch den Verbrauch von H+-lonen wird das Gleichgewicht zwischen der Kohlensäure und ihrem Dissoziationsprodukt (Gleichung [4]) gestört. Die Kohlensäure (H2CO3) dissoziiert zunehmend mit dem Wasserstoffionen-Verbrauch, wodurch das im Wasser nur physikalisch ("gasförmig") gelöste CO2 hydratisiert wird und somit das Gleichgewicht zum atmosphärischen CO2 gestört ist. Das atmosphärische CO2 diffundiert nun solange in die Lösung hinein, wie noch Kalk durch diese gelöst werden kann.

Durch Addition der Gleichungen [3] bis [6] ergibt sich die Summengleichung der Kalklösung; in diesem System "reaktiviert" die Assoziation von H+ und CO32- alle Reaktionsschritte bis zur erneuten Einstellung des Gleichgewichts.

Die "freie Kohlensäure" wird zur wichtigsten Komponente, da sie sowohl als einzige in weiten Bereichen lückenlos variieren kann, als auch mit der jeweilig vorliegenden Konzentration die Menge der Kalklösung bestimmt:

H2O + CO2 + CaCO3 <--> Ca2+ + 2 * (HCO3)-

Das kohlensäurereiche Niederschlagswasser vermag also den Kalkstein aufzulösen:

H2CO3 + CaCO3 --> Ca (HCO3)2

Das bei dieser Reaktion entstehende Kalziumhydrogenkarbonat [Ca (HCO3)2] ist wasserlöslich; es wird durch die Niederschlagswässer ausgespült und schließlich durch unter- und oberirdische Gerinne weggeführt.

Lange Zeit galt (v.a. aus Sicht der Geomorphologen) der Dolomit [Ca,Mg (CO3)2] als nicht verkarstungfähiges Gestein. Die Ursache hierfür waren die durch den grusigen Zerfall des Dolomits bedingten Oberflächenformen, die im Vergleich zum Kalk meist weicher und ruhiger ausgebildet sind (HABBE 1989). Auch Höhlenbildungen in Dolomiten wurden früher ausgeschlossen. In der Fränkischen Alb ist jedoch zu beobachten, daß Höhlen häufiger im Dolomit aufgeschlossen sind als in Kalkgesteinen.

Magnesiumkarbonate sind mit steigender Wassertemperatur löslich, wobei das Maximum bei +16°C liegt; hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß mit steigender Wassertemperatur der CO2-Gehalt des Wassers abnimmt. Sofern Dolomit noch freies CaCO3 enthält, wird dieses aufgrund der besseren Löslichkeit zuerst weggeführt, wodurch es zum Gesteinszerfall in mehr oder weniger feinen Dolomitgrus kommt. Dolomit ist also ebenso wie Kalziumkarbonat eine in aggressiven Wässern lösliche Verbindung, wobei auch bei der Dolomitverkarstung der Kohlendioxidgehalt des Wassers entscheidend ist. Die Löslichkeit von Dolomit beträgt etwa ein Drittel der des Kalksteins (BÖGLI 1978).

Bei den Vorgängen der Karbonatkorrosion zeigten die Versuche von ROQUES (1964) bei Zugabe von MgCl2 eine merkliche Erhöhung der CaCO3 -Löslichkeit. ROQUES begründet dies damit, daß Mg2+ in einer wässrigen Lösung mit HCO3- zur Komplexbildung neigt, d.h. zur Fixierung im ungeladenen MgCO3-Komplex und im MgHCO3+-Komplex. Der Anteil dieser Komplexe fällt stark ins Gewicht, im Gegensatz zu den entsprechenden Ca-Komplexen, welche nur in geringen, zu vernachlässigenden Mengen auftreten. Die Komplexbildung stört das elektrische Gleichgewicht zwischen Mg2+ und Cl- erheblich; hierdurch bedingt wird stellvertretend Ca2+ herangezogen, was zu erneuter Kalklösung führt.


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* last Update: Montag, 23. Februar 2009 23:45