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

Genese und Chemismus der "Kalktuffe"


Beim Wiederaustritt der karbonathaltigen Karstwässer ist die Kalktuffbildung an eine relativ geringe Schüttung der jeweiligen Quelle gebunden. Weitere Faktoren sind eine große Verdunstungsoberfläche und die phytogene Kalkfällung vorwiegend durch Moose und Süßwasseralgen.

Die Fällung von Kalziumkarbonat aus Süßwasser führt zur Bildung von Kalkschlamm, bzw. von Kalktuffen (Quellkalken), Kalksinter oder Montmilch. Die Quellkalke bestehen -- von Verunreinigungen abgesehen -- zum größten Teil aus CaCO3, auch in Dolomitgebieten (BÖGLI 1978). STIRN (1964) beobachtete in der Schwäbisch-Fränkischen Alb bei fünf Quellkalk-Analysen MgCO3-Anteile von weniger als 0,7 % und bei drei weiteren Analysen MgCO3-Anteile von 1 % bis 1,8 %; Verunreinigungen und organische Reste traten in den Quellkalken in stark wechselnden Anteilen auf.

Die Ausscheidung von Karbonaten ist an die Reaktionen am Interface zwischen flüssiger und fester Phase im System Karbonat - Kohlendioxid - Wasser gebunden. Diese Vorgänge verlaufen jedoch nicht in sich isoliert, sondern sind in eine Vielzahl von Gleichgewichten eingebunden. Jede Veränderung der Wassertemperatur, der Druckverhältnisse und der Ionenkonzentrationen im System vom Kohlendioxid in der Luft bis hin zum Interface flüssig/fest bedingt eine Neuanpassung aller Gleichgewichte. In einer Gleichgewichtslösung führt jede CO2-Abgabe zur Übersättigung an Ca2+ und schließlich zur Kalziumkarbonatausfällung (BÖGLI 1978).

In den kalkhaltigen Wässern von Karstquellen wirkt das Kohlensäure-Kalziumbikarbonat-Gemisch als Puffer und gleicht den CO2-Entzug durch Zerfall aus:

Ca (HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2

Sollte der CO2-Entzug sehr stark sein, wird das Kalziumkarbonat aufgespalten, wodurch der pH-Wert des Wassers bis pH=11 ansteigen kann:

CaCO3 + H2O --> Ca(OH)2 + CO2

ROQUES (1964) konnte experimentell belegen, daß in diesen mannigfaltigen Gleichgewichtslösungen ein metastabiler Zustand existiert, welcher das in der Natur beobachtete Auftreten übersättigter Lösungen erklärt. Dieser Zustand bleibt umso länger bestehen, je geringer der Überschuß an Ca2+ und CO32- ist. So beobachtete ROQUES -- unter gleichbleibenden Versuchsbedingungen -- bei CaCO3-Konzentrationen von 150 bis 200 ppm ein CO2-Gleichgewicht zwischen wässriger Lösung und Luft innerhalb von 20 Tagen, jedoch selbst nach 45 Tagen noch keine sichtbare Kristallkeimbildung in der übersättigten Lösung. Bei 250 ppm CaCO3 in der Lösung wurde das CO2-Gleichgewicht nach ebenfalls 20 Tagen erreicht, Kristallkeime traten im Wasser jedoch erst nach 30 Tagen auf. Bei einer CaCO3-Konzentration von 350 ppm in der Lösung kam es nach 9 Tagen zur Kristallkeimbildung und bei einer solchen von 400 ppm nach 36 Stunden.

Bei konstanter Wassertemperatur ist die Änderung des CO2-Druckes die wichtigste Ursache für die Störung des Gleichgewichtes und somit für die Karbonat-Ausfällung bzw. -Korrosion. Durch die CO2-Verluste stellt sich in der Lösung zunächst eine metastabile Übersättigung ein, welcher eine spontane Kalzit-, darauf Vateritausscheidung folgt (BÖGLI 1978). Aragonitkristalle entstehen nachträglich sekundär aus dem Vaterit.

Ca2+ + 2HCO3- --> CO2 + H2O + CaCO3

Im Karstwassersystem sind die CO2-Verluste generell nur unter vadosen Bedingungen möglich: Wenn hier die CO2-Konzentration im Wasser höher ist als es dem CO2-Partialdruck in der darüber liegenden Atmosphäre entspricht, erfolgt eine Übersättigung an Ca2+ und CO3- sowie -- nach Abschluß der metastabilen Phase -- die CaCO3-Ausfällung.

Die zweite wichtige Ursache für Störungen des Lösungsgleichgewichts sind Temperaturänderungen des Wassers. Da kaltes Wasser wesentlich mehr Kohlendioxid aufnehmen kann als warmes Wasser, führt eine Temperaturerhöhung rasch zur Übersättigung an Kalziumhydrogenkarbonat. In den Bereichen des seichten Karstes, wo das kalte, mit Kalziumhydrogenkarbonat gesättigte Wasser aus Quellen und Höhlengängen austritt, kann es sich beim Abfließen über Berghänge rasch erwärmen; hierdurch bedingt kommt es zur weiteren Ausscheidung von Quellkalken.

Weiterhin bewirkt auch die Verdunstung des Quellwassers die Einengung und somit Übersättigung der Lösung und hierdurch bedingte Karbonatausscheidung. Eine besonders rasche Kalkausscheidung findet durch die hohe Evaporation von -- in dünnen Wasserfilmen, aber großflächig -- abfließenden Quellwasser statt, was zu tuffähnlichen, kaskadenförmigen Absätzen führt. Verstärkt werden die rein physikalisch bedingten Evaporationsvorgänge durch die hohe Transpirationsleistung assimilierender Pflanzen wie Moose, welche die Quellkalke häufig flächendeckend überziehen.

Schließlich können auch assimilierende Pflanzen ihr Kohlendioxid statt aus der Luft direkt aus dem Karstquellwasser beziehen. An Karstquellen finden sich z.B. die Stark-nervenmoose ("Astmoose") wie Cratoneurum commutatum und Cratoneurum filicium und das Kalkquellmoos Philonotis calcarea. Bei flächigem Quellaustritten bilden sich Kalkquellmoore mit Riedgräsern (Carex davalliana, Carex pulicaris und Carex lepidocarpa), Quellriedarten (Schoenus nigricans, Schoenus ferrugineus) und Wollgras (Eriophorum latifolium) aus. Der durch die Pflanzen hervorgerufene CO2-Verlust des Quellwassers führt zu einer raschen Ausfällung von Karbonat, wodurch sich die porösen, zerreibbaren und zahlreiche Pflanzenteile umschließenden Sedimente der Quellkalke bilden.

Der Einfluß von Fremdionen wie Mg2+, SO42- und Cl- ist im System Kalziumkarbonat - Kohlendioxid - Wasser sowohl bei den Vorgängen der Korrosion als auch bei der Wiederausscheidung als beträchtlich anzusehen (BÖGLI 1978). So fällt bei den Vorgängen der Wiederausscheidung aus einer Lösung mit Mg2+ und Ca2+ zuerst das Kalziumkarbonat als Sinter oder Kalktuff aus (sofern das Mg2+ nicht dominiert).

Ca- u. Mg-Gehalte im Karstquellbach

BÖGLI (1978) berichtet von Untersuchungen an einem kleinen Bach mit Kalktuffsohle in Hitzkirchen/Kanton Luzern: Dieser Karstquellbach weist ein mittleres Gefälle von 15 %, eine durchschnittliche Fließgeschwindigkeit von 0,24 m/s und eine Wasserführung von ca. 0,4 l/s auf. Hier wurden an drei Meßstationen die Ca2+- und die Mg2+-Gehalte des Wassers bestimmt. Dabei ergab sich, daß auf der 240 m langen Versuchsstrecke das Ca2+ stets ausfiel und -- bei warmer, trockener Witterung und entsprechend hoher Verdunstung -- der Mg2+-Gehalt des Wassers entsprechend anstieg, bei feuchter Witterung und entsprechend geringer Verdunstung der Magnesiumgehalt jedoch unverändert blieb.


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* last Update: Montag, 23. Februar 2009 23:47