Die Verkarstung
von Alfons Baier
von Alfons Baier
Karstlandschaften sind auf der Welt weit verbreitet: Schätzungsweise ein Fünftel der gesamten kontinentalen Oberfläche unseres Planeten sind Karstgebiete. Hierbei wechselt ihr Aussehen von Klimazone zu Klimazone erheblich. Neben dem "grauen Karst" der gemäßigten Zonen, in welchem die versteppte Landschaft durch weißgraues, freigelegtes Gestein charakterisiert ist, gibt es den tropischen "Grünen Karst", wo das Karstland von dichtem Urwald bedeckt ist.
Zu den bedeutensten Karstgebieten Europas gehören die nackten, zerklüfteten Kalkgebiete der Alpen (insbesondere der Ostalpen) sowie die ausgedehnten Karstgebiete im ehemaligen Jugoslawien. Weitere große Karstlandschaften sind in den südfranzösischen Hochflächen der Causses, in der Schwäbischen und Fränkischen Alb, in den Mittelgebirgen des Schweizer Jura und des Französischen Jura, in den unwirtlichen Ebenen Irlands, in den Hügellandschaften England, in den "grünen Hügeln" Burgund´s und in der Champagne aufgeschlossen.
Carbonatgesteine wie Kalke und Dolomite sind von Natur aus zwar wasserundurchlässig; bereits bei geringen tektonischen Belastungen bilden sich jedoch in diesen relativ harten, aber spröden Gesteinen feine Haarrisse, Klüfte und Störungsflächen aus. In diese Trennflächen kann das Niederschlagswasser eindringen; im Winter kommt es dann nicht selten zur Erweiterung dieser Trennflächengefüge durch Frostsprengung, so daß das Niederschlagswasser immer tiefer in den Gesteinskörper einsickern kann.
Die Korrosion von Karbonaten ist erst durch die Anwesenheit von Wasser und Kohlendioxid (CO2) möglich. Reine atmosphärische Luft enthält etwa 0,03 Vol.-% CO2. Im Niederschlagswasser sind stets atmosphärische Gase gelöst, so auch Kohlendioxid. Neben dem Partialdruck wird der Kohlendioxid-Gehalt des Wassers hauptsächlich durch dessen Temperatur bestimmt: Bei einer Temperaturerhöhung des Wassers von +0,5°C auf +20,0°C nimmt sein Gehalt an freier Kohlensäure um etwa die Hälfte ab.
Das System CO2 - H2O - (Ca,Mg)*CO3 ist für den Lösungsvorgang von Karbonaten bestimmend und läßt sich am Beispiel des Calciums durch die folgenden Reaktionsgleichungen beschrieben:
(1) Zuerst 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 * 10-9. Dieser Lösungsvorgang verläuft sehr rasch.
(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+ + CO32-
(6) Das bei (5) neu entstandene CO3 2- assoziiert mit dem H+ aus (4):
H+ + CO32- <--> HCO3 -
Durch die Reaktion [6] verarmt entlang der Kontaktfläche Wasser/Karbonatgestein die Lösung an CO32-. Hierdurch wird das Lösungsgleichgewicht mit dem festen CaCO3 gestört, wodurch das Löslichkeitsprodukt Lp nicht mehr dem Ionenprodukt entspricht:
LP (+10°C) = [Ca2+] * [CO32-] = 4,0 * 10-9
Um das verbrauchte CO32- 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 CO32- 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 derjeweilig 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 Calciumhydrogenkarbonat [Ca (HCO3)2] ist wasserlöslich; es wird durch die Niederschlagswässer ausgespült und schließlich durch unter- und oberirdische Gerinne weggeführt.
Normales, mit atmosphärischen CO2 angereichertes Regenwasser kann bereits 40 mg/l Kalk lösen. Beim Eindringen und Durchsickern des Bodens nimmt das Niederschlagswasser weiteres CO2 auf, welches in der bodennahen Luftschicht und im Boden selbst (aufgrund der Zersetzung pflanzlicher und tierischer Reste) zu etwa 5 Vol.-% enthalten ist. Das Niederschlagswasser im Bereich der besonders kohlendioxidreichen Bodenluft nimmt hierdurch ein Vielfaches an CO2 auf: Wasser mit hohem CO2-Gehalt kann 200 mg/l Kalkstein und CO2 -gesättigtes Wasser sogar 900 mg/l Kalk auflösen.
Lange Zeit galt (v.a. aus Sicht der Geomorphologen) der Dolomit [Ca,Mg (CO3)2] als nicht verkarstungfähiges Gestein. Ursache hierfür waren die durch den grusigen Zerfall des Dolomits bedingten Oberflächenformen, die im Vergleich zum Kalk meist weicher und ruhiger ausgebildet sind. Auch Höhlenbildungen in Dolomiten wurden früher ausgeschlossen. Jedoch sind in der Fränkischen Alb Höhlen häufiger im Dolomit aufgeschlossen 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 Calciumcarbonat 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.
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.
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* Dr. A. Baier; last update: Freitag, 24. Februar 2023 13:18