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Karst

Von der reinen Lösung ist die Kalklösung oder Verkarstung zu unterscheiden. Der Name "Karst" stammt aus der istrisch-krainischen Berglandschaft im NO von Triest. Hier sind die Formen der Verkarstung besonders schön entwickelt.

Die Ursache der Verkarstung ist die Lösung der Carbonatgesteine Kalk und Dolomit. Diese sind jedoch in reinem Wasser nahezu unlöslich. Wenn aber im Wasser eine geringe Menge Kohlensäure gelöst ist, werden die unlöslichen Carbonate gemäß der folgenden Gleichung in leicht lösliche Bicarbonate übergeführt:

CaCO₃ + H₂CO₃ à Ca(HCO₃)₂

Wie kommt die Kohlensäure ins Wasser? Das Niederschlagswasser hat auf seinem Weg durch die Luft bereits geringe Mengen des in der Luft vorhandenen CO₂ aufgenommen. Die Bodenluft enthält aufgrund der hier ablaufenden Verwesungsprozesse sehr viel mehr CO₂ als die atmosphärische Luft. So reichert sich das Niederschlagswasser beim Durchsickern der Bodenschicht noch weiter mit CO₂ an. Daher sind im humiden Klima, wo ausreichend Wasser zur Verfügung steht, die Carbonatgesteine auch ausnahmslos verkarstet.

Am extremsten sind die Karst-Erscheinungen im reinen, d.h. tonfreien Kalkstein. Das Wasser dringt in Klüften oder Schichtfugen nach unten und erweitert diese allmählich durch Lösung. Diese Lösung des festen Gesteins durch chemischen Angriff bezeichnet man als Korrosion. Durch die Erweiterung der Klüfte wird der Untergrund immer aufnahmefähiger für Wasser. Es entsteht so ein mehr oder weniger zusammenhängendes System von unterirdischen Hohlräumen. In ihnen sammelt sich das unterirdische Wasser und bildet regelrechte unterirdische Flüsse und Bäche. Da diese genau wie oberirdische Gewässer auch mechanisch erodieren, tragen sie auf diese Weise zur Erweiterung der Höhlensysteme bei.

Aus der charakteristischen Wasserzirkulation, die von den Verhältnissen auf normalem Untergrund völlig abweicht, ergeben sich die wesentlichen Züge der Karstlandschaft. Durch die erweiterten Klüfte und unterirdischen Hohlräume wird die Durchlässigkeit und damit die Widerständigkeit der Carbonatgesteine enorm gesteigert. Sie verhalten sich daher wie Härtlinge und neigen dazu, im Laufe des Abtragungsprozesses immer mehr über ihre Umgebung hinauszuwachsen. Das fließende Wasser fehlt dem reinen Karst an der Oberfläche fast völlig. Auch bei hohen Niederschlägen sind Karstgebiete daher trockene Räume. So kommt es nicht zur Ausbildung der reich verästelten Fluß-, Tal- und Dellensysteme, durch die außerhalb des Karstgebietes jeder Punkt in Gefälleverbindung mit dem Ozean steht.

Die Großgliederung der Oberfläche erfolgt durch Hohlformen, die aber nicht durch oberflächlich fließendes Wasser entstanden sind. Darum gibt es auch keine gleichsinnig abfallenden Täler, und das Land ist nicht durch Talzüge zum Meere hin geöffnet.

Die Karstformen

Die Lösungstätigkeit des Regenwassers sehen wir überall dort, wo es an der Oberfläche blanker Kalksteine rillen- oder rinnenförmige Vertiefungen geschaffen hat, die sogenannten Karren oder Schratten.

Wir unterscheiden die ans Gefälle gebundenen Rillen- oder Rinnenkarren und die an Klüfte gebundenen Kluftkarren. Auf schwach geneigtem Kalkuntergrund fließt das Regenwasser eventuell mäanderförmig ab, so daß hier regelrechte Mäanderkarren entstehen. Ist die Korrosion auf einzelne Punkte hin gerichtet, z.B. auf Kluftkreuze, so bilden sich Lochkarren. Die Karren kanellieren die Felswände oder bilden auf flach geneigten Schichten ganze Karrenfelder, die oft schwer zu überschreiten sind. Die Karren können wenige cm tief, aber auch mehrere m tief sein.

Die Karstschlote sind schlauchförmige Hohlformen im Karstgebiet, die durch tiefgreifende Korrosion an bevorzugten Stellen, z.B. auf Kluftkreuzen entstehen. Als schlauchförmige Hohlräume, die sich bald erweitern, bald wieder verengen, haben sie sich senkrecht bis zu mehreren 100 m tief in den Untergrund gefressen.

Die Karstschlote können oben steilwandig oder mit einem Trichter beginnen. Nach unten hin stehen sie manchmal mit Höhlen in Verbindung.

Sie bilden dann häufig Lichtschächte, durch die das Licht in die Höhle eindringt.

Dolinen sind trichterförmige Hohlformen im Karstgebiet, die meist gesellig auftreten und die Oberfläche einem Granattrichterfeld ähneln lassen. Die meisten Dolinen sind ein Erzeugnis der chemischen Lösung des Kalksteins. Man bezeichnet sie daher als Lösungsdolinen. Wie die Karstschlote entstehen sie vor allem auf Kluftkreuzen.

Die Maße der Dolinen können sehr verschieden sein. Es kommen Tiefen bis zu 300 m und Durchmesser bis zu 1.5 km vor. Die meisten Dolinen sind jedoch wesentlich kleiner. Oft sind die Hänge der Dolinen mit Karren bedeckt. Gelegentlich liegen im Zentrum des Trichters die erweiterten Klüfte frei, die das Wasser nach unten leiten. Meist aber ist der unlösliche, tonige Anteil des Kalksteins als roter Boden (Terra rossa) zurückgeblieben und bedeckt als dünne Schicht den Boden der Doline. Auf der nackten, oder nur von einer dünnen Lehmschicht verhüllten Karsthochfläche bilden die Dolinen mit ihrer Terra rossa meist die einzigen Stellen, an denen Ackerbau möglich ist.

Auf der Lehmdecke der Doline können sich sogar kleinere Wasserläufe entwickeln, die schließlich aber in die Tiefe verschwinden. Es können sich auch Seen am Boden einer Doline bilden, wenn deren Schlucklöcher durch Lehm verstopft wurden. Stellenweise ist die Karsthochfläche so dicht mit Dolinen besetzt, daß sie von oben wie eine Bienenwabe aussieht.

Wenn zwei oder mehrere Dolinen zusammenwachsen, entstehen die ovalen Schüsseldolinen oder Uvalas.

Viel seltener als die Lösungsdolinen sind die "Einsturzdolinen", die durch das Einbrechen von Höhlendächern entstehen. Sie unterscheiden sich von den Lösungsdolinen durch ihre steilen Wände. Vielfach ist der Verlauf des Höhlensystems an dem Verlauf der Einsturzdolinen zu erkennen.

Die wichtigsten großräumigen Hohlformen im Karst stellen die Poljen dar. Es sind längliche, allseitig geschlossene Hohlformen mit flacher Sohle, die meist scharf gegen die steilen Hänge abgesetzt ist. Poljen kommen in jeder Größenordnung vor. Die kleinsten sind kaum von Uvalas zu unterscheiden, die größeren umfassen Hunderte von qkm. Da der ebene Boden meist mit Sedimenten bedeckt ist, bilden die Poljen Oasen des Ackerbaus in der sonst öden Karstlandschaft.

Manche Poljen sind langgestreckt und gewunden, so daß sie den Eindruck von Tälern machen. Den Böden fehlt jedoch die für Täler typische gleichsinnige Neigung. Es gibt Poljen, die ständig Wasser beeinhalten und andere, die ständig trocken liegen. Die drei größten Seen der Balkanhalbinsel sind z.B. Seepoljen oder Poljenseen. Zwischen den Extremen gibt es Poljen, die nur zeitweilig Wasser führen oder von Gewässern durchflossen werden. Das Wasser, das die Poljen überströmt oder durchfließt, stammt von Quellen, die auf der Sohle oder am Fuß der Hänge entspringen.

Die Entstehung der Poljen ist noch nicht geklärt. Es ist möglich, daß Dolinen zusammen gewachsen sind und von fließendem Wasser zu Poljen umgestaltet wurden. Das kann aber nur für die kleineren Poljen gelten. Aber auch bei den größeren Poljen scheint fest zu stehen, daß an ihrer Ausgestaltung zumindest zeitweise fließendes Wasser beteiligt war. Das zeigen z.B. die scharfen Verschneidungen der Poljenböden mit den Hängen. Manche Großpoljen können auch durch endogene Vorgänge angelegt worden sein (Krustensenkung).

Ist das Karstgestein von einer mehr oder weniger zusammenhängenden Bodenschicht bedeckt, spricht man vom "bedeckten Karst" im Gegensatz zum "nackten Karst". Bedeckt ist z.B. der Karst der deutschen Kalklandschaften. Trockentäler, Flußschwinden, Höhlen und allgemeine Bodentrockenheit sind typische Merkmale in diesen deutschen Karstlandschaften. Die Trinkwasserversorung hoch gelegener Karstgebiete - etwa der Alb - ist und war immer problematisch.

Echte, d.h. durch Flüsse erzeugte Täler sind zwar im Karst vorhanden, unterscheiden sich aber wesentlich von normalen Tälern. Im allgemeinen sind nur wasserreiche Flüsse, die von außerhalb des Karstgebietes kommen, unter günstigen Bedingungen in der Lage, den Karst zu durchqueren oder sich zumindest eine Zeitlang oberirdisch zu behaupten. Ihre Ersosionstätigkeit wird aber durch die starke Anzapfung von unten gehemmt. Darum spielt die Seitenerosion eine größere Rolle als die Tiefenerosion. Da das oberflächlich abfließende Wasser als Hauptfaktor der Gesteinsaufbereitung und Abspülung fehlt, wird die Hangabschrägung stark verzögert. So sind kastenförmige Täler mit steilen Wänden und flachen Sohlen für den Karst charakteristisch. Wenn das fließende Wasser eines Flusses den oberirdischen Bereich verläßt, hört auch die oberirdische Erosion auf. Das Tal endet dann blind. An dem steilwandigen Talschluß liegt das Schluckloch oder der Ponor.

So unvermittelt das Wasser des Flusses die Oberfläche verläßt, so kann es auch in Karstquellen wieder zutage treten. Die Schüttung solcher Karstquellen ist beachtlich. Da ein kräftiges Gewässer in der Lage ist zu erodieren, setzt unmittelbar am Quelltopf die Talbildung ein.

Der Grundwasserspiegel, oder genauer gesagt der Karstwasserspiegel, schwankt im Laufe des Jahres stark. Liegt die Quelle innerhalb des Schwankungsbereichs, dann fließt sie nur periodisch. Liegt sie unterhalb des tiefsten jahreszeitlichen Schwankungsbereichs des Karstwasserspiegels, dann fließt sie dauernd.

Ein bekanntes Beispiel einer Flußversickerung in Deutschland ist die Donauversickerung bei Donaueschingen. Die aus dem Schwarzwald kommende Donau versickert zeitweilig völlig in dem Bereich, wo sie über den Jurakalk der Schwäbischen Alb fließt. Das dort versickerte Wasser tritt in der gewaltigen Aachquelle als Karstquelle wieder zutage.

Die oberirdische Karsthydrographie ist eine Funktion der Grundwasserverhältnisse. Ein Anstieg des Grundwasserspiegels vermindert den Grad der Verkarstung, eine Absenkung steigert ihn. Damit werden Klimaschwankungen, Schwankungen des Meeresspiegels oder auch Krustenbewegungen zu entscheidenden Faktoren für den Karst. Tektonische Hebung läßt den Grundwasserspiegel absinken. Eine Abnahme der jährlichen Niederschläge wirkt in die gleiche Richtung, vermindert aber auch die Wassermenge, die an der Erweiterung der Hohlräume arbeitet. Da jedoch der Karstkomplex im Laufe der Zeit immer durchlässiger wird und wegen seiner so gewonnenen Widerständigkeit immer höher über seine Umgebung hinauswächst, steigert sich die Verkarstung auch bei ruhender Kruste und bei gleichbleibendem Klima. Die Quellen fließen dann immer spärlicher oder versiegen ganz. Schließlich erliegen auch die letzten oberirdischen Gewässer der unterirdischen Anzapfung und lassen Trockentäler zurück.

Ein geschlossener Grundwasserspiegel dürfte im Karstbereich eines mächtigen Kalkgebirges erst in größerer Tiefe anzutreffen sein. Darüber sind Bewegung und Verteilung des Karstwassers in hohem Grade von der Gesteinsbeschaffenheit, der Lagerung und dem Zustand der Hohlräume abhängig. Offen in den Höhlen strömendes Wasser wechselt mit gespannten Grundwasserströmen ab. Zwischen, über und unter den gesammelten Gerinnen befinden sich Zonen, in denen sich das Grundwasser in Klüften und sonstigen Hohlräumen bewegt.

Die im Bicarbonat bei der Kalklösung aufgenommene Kohlensäure ist nur locker gebunden. Eine geringe Erwärmung oder sonstige Veränderung genügt daher, den Vorgang der Kalklösung in umgekehrter Richtung ablaufen zu lassen, also Kalk aus wässeriger Lösung auszuscheiden (Siehe Kalklösungsgleichung).

Diese Kalkausscheidung findet überall dort statt, wo das im Karst zirkulierende Wasser mit der sommerlich warmen Luft in Berührung kommt, wo es zerstäubt oder flächenhaft ausgebreitet wird oder wo ein Luftzug die Verdunstung steigert. Hinzu kommt die Kalkausscheidung durch assimilierende Algen und Moose, die dem Wasser Kohlensäure entziehen und so die Abscheidung von unlöslichem Kalk fördern. Die tuffartigen Abscheidungen von Kalk werden auch als Kalksinter oder Travertin bezeichnet.

Kalkabscheidung infolge von Zerstäubung des Wassers findet vor allem an Wasserfällen statt. Während solche Gefällstufen unter normalen Umständen durch rückschreitende Erosion ausgeglichen werden, wachsen die Gefällstufen in den Flußgebieten des Karsts durch Kalksinterbildung immer höher empor. Dieser Vorgang spielt sich zudem sehr rasch ab. Durch das schnelle Wachstum entwickelt sich aus der Gefällstufe eine Barre, die das Wasser aufstaut. Die so entstehenden Seen sind im Karst recht häufig. Es gibt Täler, in denen sie wie die Stufen einer Treppe hintereinander liegen. Am berühmtesten ist die Seentreppe von Plitivice in Jugoslawien.

Voraussetzung für die Bildung der Seen ist neben der Barrenbildung, daß gleichzeitig der Untergrund, den das gestaute Wasser bedeckt, durch Sinterabscheidung undurchlässig wird.

Wie an der Oberfläche spielt auch untertage die Wiederausscheidung des gelösten Kalks eine große Rolle. Sie wird durch die Berieselung der Kluftflächen und Wände und durch den dauernden Luftzug in den Höhlen gefördert. So überziehen sich die Gesteinsoberflächen mit Sinterkrusten, und es bilden sich Tropfsteine, wenn das Wasser von der Decke der Höhle heruntertropft. Oben bilden sich die Stalagtiten, denen von unten die Stalagmiten entgegenwachsen.

Höhlen sind in allen Kalkgebieten der Erde anzutreffen:

Kalkmulden der Eifel und des Sauerlandes, Schwäbischer und Fränkischer Jura, Kalkalpen. In den Kreidekalken der Dordogne in Frankreich dienten die großen Höhlen zahlreichen steinzeitlichen Menschen als Wohnstätten. Natürlich weist der Jugoslawische Karst viele Höhlen auf. Von riesigen Ausmaßen ist die Mammut-Höhle in Kentucky. Sie umfaßt fünf Stockwerke von insgesamt 105 m Höhe. 200 km dieser Höhle sind bisher erforscht und zugänglich gemacht. Nicht zu vergessen ist auch das Neandertal, wo die Reste des Vormenschen in einer Kalkhöhle gefunden wurden.

Das Phänomen der Mischkorrosion

Der Kalklösungsvorgang

Nicht alles im Wasser gelöste CO₂ kann zur Lösung von Kalk nach der Gleichung

CaCO3 + H2O + CO2 <-------> Ca(HCO3)2 beitragen.

Eine bestimmte Menge CO₂ muß als solche im Wasser vorhanden sein um zu verhindern, daß die obige Reaktionsgleichung nach links abläuft, und der als Bicarbonat gelöste Kalk wieder ausfällt. Das ist die sogenannte zugehörige oder äquivalente Kohlensäure (CO₂ eq.). Je mehr Kalk in Lösung ist, desto mehr äquivalente Kohlensäure ist erforderlich. Das Ganze ergibt das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Ist in dem Wasser mehr CO₂ gelöst als der äquivalenten Menge entspricht, kann weiterer Kalk aufgelöst werden. Solches Wasser heißt daher kalkaggressiv.

Ist dagegen zuviel Kalk in Form von Bicarbonat im Wasser gelöst, enthält das Wasser mit anderen Worten zu wenig CO₂, liegt ein kalkübersättigtes Wasser vor, das zur Ausscheidung von Kalk neigt.

Die Oberfläche des Karstwasserspiegels trennt die über ihr liegende vadose Zone von der unter ihr liegenden phreatischen Zone. In der vadosen Zone sind nicht alle Hohlräume von Wasser erfüllt. Hier kann sich das Sickerwasser aus der CO₂-reichen Bodenluft immer wieder neu mit Kohlensäure versorgen und bleibt daher kalkaggressiv. Daß es hier zur Kalklösung kommt, verwundert also nicht.

Aber bereits in der obersten phreatischen Zone wird die gesamte kalkaggressive Kohlensäure verbraucht. Luftgefüllte Hohlräume liegen hier nicht mehr vor, so daß sich das Wasser nicht laufend neu mit CO₂ versorgen kann. Demzufolge müßte der Kalklösungsprozeß bereits in geringer Tiefe zum Erliegen kommen. Beobachtungen aus vielen Karstgebieten der Erde zeigen aber, daß die Verkarstung bis in große Tiefen der phreatischen Zone reichen kann. In Florida z.B. bis 2000 m unter die Oberfläche des Karstwasserspiegels.

Mit Hilfe der Vorstellung von der Mischkorrosion konnte A. Bögli dieses Phänomen klären. Mischkorrosion ergibt sich als Folge der Mischung zweier Karstwässer, von denen jedes für sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht steht, bei denen jedes Wasser jedoch unterschiedliche Mengen Bicarbonat gelöst hat. Wenn solche Wässer gemischt werden, enthält das entstehende Mischwasser überschüssige Kohlensäure, ist also kalkaggressiv und kann weiteren Kalk lösen.

Bei der Mischung zweier kalkgesättigter Wässer W1 und W2 liegt der Kohlensäuregehalt des Mischwassers auf einer Geraden (Punkt T). Die Mischungsgerade verläuft im Bereich des kalkaggressiven Wassers, was bedeutet, daß freie Kohlensäure zur Verfügung steht. Ein Teil dieser freien Kohlensäure löst Kalk, der andere Teil dient diesem neu gelösten Kalk als äquivalente Kohlensäure. Die Waagerechte durch Punkt T schneidet die Sättigungskurve im Punkt C und gibt zugleich die Menge des bei der Mischung frei werdenden CO₂ an (TC). Von diesem CO₂ dient der Anteil BT für weitere Kalklösung und der Anteil BC stellt die zugehörige Kohlensäure dar.