Der tropisch­e Karst: Bildungs­prozesse und Karstfor­men: Studiena­rbeit zu Karstpro­zessen in ganzjährig humiden Klimata - Cockpit und Turmkars­t

Seminararbeit

Karstprozesse - Tropischer Karst

1. Unsere Erdoberfläche – ein Produkt reliefbildender Prozesse:

Unsere Erdeoberfläche wird von verschiedenen reliefbildenden Prozessen stets verändert. Diese Prozesse bestehen überwiegend aus Verwitterung und Erosion. Unter Verwitterung versteht man die Zersetzung von Gesteinen durch exogene physikalische, chemische oder biologische Prozesse. Dieses zersetzte Gesteinsmaterial wird dann abgetragen.

Dieser Vorgang wird als Erosion bezeichnet. Ein besonderer Fall dieser Prozesse ist die Verkarstung. Der Name „Karst“ geht auf das serbokroatische „kràsa“ zurück und bedeutet „steiniger Boden“. Er bezieht sich ursprünglich auf die kahle, vegetationsarme, von grauweißen Kalksteinblöcken übersäte dinarische Gebirgslandschaft nordöstlich von Triest (MARK 2005, S.5). Diese außergewöhnlich geformte Erdoberfläche ist aber nicht nur in dieser Region zu finden, sondern weltweit in verschiedenen Formen verbreitet. „Global gesehen nehmen Karstgebiete etwa ein Drittel der Landoberfläche der Erde ein“ (DÜSTERHÖFT, S. 1).

Somit sind die Formen des Karstes auch in den Innertropen zu finden. In diesem Bereich der Erde herrschen nahezu optimale Bedingungen, um Karstlandschaften entstehen zu lassen. Welche dies sind und welche außergewöhnlichen Formen man finden kann, wird im Folgenden erläutert.

2. Einordnung der Verkarstung in die reliefbildenden Prozesse:

Um die Verkarstung einordnen zu können, muss man sich einen Überblick über endogene und exogene Prozesse verschaffen.

2.1. Endogene Prozesse:

Endogene Prozesse geschehen immer im Erdinneren. Tektonische Hebungen oder Senkungen der Erdoberfläche sowie das Entstehen von vulkanischem Gestein, sind Resultate endogener Prozesse. Die bei tektonischer Veränderung entstehenden Risse und Klüfte der Erdoberfläche bieten beispielsweise eine hervorragende Angriffsfläche für die Entstehung von Karst.

2.2. Exogene Prozess:

Neben den endogenen Prozessen gibt es die exogenen Prozesse, die die Erdoberfläche feiner ausgestalten. Exogene Prozesse wirken deshalb immer direkt an der Erdoberfläche. Sie wirken zum einen der Plattentektonik entgegen, zum anderen werden diese Prozesse auch klimatisch beeinflusst. Meistens verursacht die Schwerkraft die exogenen Prozesse.

Sehr häufig sind sie mit Materialumlagerung verbunden. Für diese Umlagerungen dienen meistens Wasser oder Luft. Deshalb spricht man bei diesen Erscheinungen von fluviatilen oder äolischen Formungen (DÜSTERHÖFT, S. 1/2). Der Prozess der Verwitterung zählt auch zu den exogenen Vorgängen. Man unterscheidet physikalische, chemische und biologische Verwitterung. Für die Verkarstung ist vor allem die chemische Verwitterung, und in den Tropen zusätzlich die biologische Verwitterung, von großer Bedeutung.

Bei der Entstehung von Karst ist die Lösungsverwitterung der wichtigste Teilprozess der chemischen Verwitterung. Auf diesen Prozess werde ich unter 3.2. genauer eingehen.

3. Vorraussetzung für eine Verkarstung:

Neben den endogenen und exogenen Prozessen, die Grundstock jeglicher Veränderung und Formung der Erdoberfläche sind, gibt es weitere Vorraussetzungen, die erfüllt sein müssen, um Karstgebiete entstehen zu lassen.

3.1. Verkarstungsfähiges Gestein:

Grundvoraussetzung ist ein gut lösliches Gestein, weil der Prozess der Verkarstung in der Lösung von Mineralen besteht. Wie die Tabelle 1 zeigt, lässt sich Kalkstein im Vergleich zu Salzstein nur schwer in Wasser lösen. Kalk ist aber trotzdem das am meisten betroffene Gestein. Grund dafür ist die stark erhöhte Löslichkeit in kohlendioxidhaltigem Wasser (DÜSTERHÖFT, S.2).

Tab. 1: Löslichkeit von Salzgesteinen in Wasser bei 18 °C (aus ZEPP 2004³, S. 87)

Wie man außerdem aus der Tabelle erkennen kann, ist Gips weitaus löslicher als Kalk oder Dolomit. Deshalb gibt es neben Karstformen, die aus Kalk entstanden sind, auch Formen, die aus Gips gebildet worden sind. Die hohe Löslichkeit von Steinsalz und Kalisalz verhindert die Herausbildung von Karstformen. Sie hätten in humiden Klimabereichen keinen Bestand, sondern würden sofor.....[Volltext lesen]

3.2.2. Mischungskorrosion:

Das Phänomen der Mischungskorrosion tritt auf, wenn im Karstwassersystem kalkgesättigte Wässer mit unterschiedlichem Kalkgehalt aufeinander treffen. Dies kommt vor allem im Bereich des Karstspiegels vor (ZEPP 2004³, S. 240). Die Mischung der beiden Wässer hat nun einen neuen höheren CO₂– Gehalt. „Das zusätzlich entstandene CO₂ ist nun in der Lage, am Ort der Vermischung eine entsprechende Menge Kalk zusätzlich aus dem Gestein zu lösen.

Infolge dieser Mischungskorrosion können sich unterirdische Hohlräume von zum Teil beträchtlicher Dimension bilden“ (MARK 2005, S. 5).

3.3. Klüftigkeit des Gesteins:

Eine letzte Vorrausetzung, die für das Entstehen einer Karstlandschaft erfüllt sein sollte, ist die Klüftigkeit des Gesteins. Wie bereits in 2.1. erwähnt, können Klüfte und Risse durch tektonische Veränderungen entstehen. Sie können aber auch durch Verwitterung und somit durch exogene Prozesse gebildet werden.

Durch Klüfte und Risse im Gestein dringt Wasser in dieses ein. Durch Korrosion wird das System der Klüfte erweitert. Das Gestein verwittert und es kann Karst entstehen. „Deshalb gibt es wenig, bzw. gar keine oberflächliche Entwässerung. Um einen unterirdischen Wasserabfluss zu garantieren, ist es wichtig, dass das Karstgebiet über dem Niveau des Grundwasserspiegels herausgehoben ist.

Würde das Wasser im Gestein stagnieren und sich eine kalkgesättigte Lösung bilden, so wäre keine Korrosion mehr möglich“ (BEHRENDT, PROF. DR. BURGER 2004, S.174).

4. Karsthydrologie – vadose und phreatische Zone:

„Weitere Vorraussetzungen sind an die Karsthydrologie gebunden. Um die Korrosion ständig zu gewährleisten, sind Abfluss und Tiefenversickerung des Wassers notwendig (Wasserwegsamkeit). Deshalb sind Karstgebiete immer über das allgemeine Niveau des Grundwasserspiegels herausgehoben. Ohne diese Heraushebung würde das Wasser im Gestein stagnieren und sich eine kalkgesättigte Lösung bilden, die keine Korrosion mehr zuließe.

Wasserdurchlässige Klüfte, Risse und Fugen ermöglichen die Wasserbewegung im Gesteinsverband.

Abb. 2: Schematischer Schnitt durch ein Karstwassersystem (nach BÖGLI 1978, verändert aus BUSCH 1986, S.

72, aus ZEPP 2004³, S. 237)

Mit der Erweiterung von Klüften und Fugen beginnt die Verkarstung“ (ZEPP 2004³, S. 236). In Abbildung 2 ist ein schematischer Schnitt durch ein Karstwassersystem dargestellt. Wie man diesem entnehmen kann, ist ein Karstgebiet unterirdisch entwässert.

Ein Karstwassersystem besteht aus zwei unterschiedlichen Zonen, der phreatischen Zone (griech.: „phrear“ = Brunnen (WILHELMY, 19925) und der vadosen Zone. Die phreatische Zone besteht aus Gesteinshohlräumen, die mit Wasser gefüllt sind. Dieser Bereich befindet sich, wie man der Abbildung entnehmen kann, unterhalb des Karstwasserspiegels.

Die phreatische Zone wird oben von der Karstwasserfläche abgeschlossen. Diese unterscheidet sich vom Grundwasserspiegel nicht verkarsteter Gesteine dadurch, dass beim Grundwasser die Spiegelfläche zur Quelle hin gleichmäßig sinkt. Bei der Karstwasserfläche dagegen ergeben sich oft erhebliche Unterschiede im Wasserstand zwischen benachbarten Spalten und Schächten. Ursache dieser Wasserstandsunterschiede ist der wechselnde Durchmesser in Röhrensystemen, die von Wasser durchflossen werden.

Wird der Durchmesser größer, verlangsamt sich die Fließgeschwindigkeit. Der Druck im Röhrensystem nimmt dadurch zu. Umgekehrt ist es, wenn der Durchmesser kleiner wird. Die Fließgeschwindigkeit steigt an und der Druck nimmt ab. Die Folge dieses Verhaltens ist, dass in Spalten, die zur Bodenoberfläche führen, das Wasser an Ausweitungen höher steht als an Engen. Insgesamt sind die Wasserstandunterschiede umso gravierender, je stärker der Durchfluss eines Systems ist (ZEPP 2004³, S. 236 f.). Die phreatische Zone wird also ständig von Wasser durchflossen, welches z.....

Abb. 4: Klimadiagramm Guilin 25°N/ 110°O (Geographie Heute 56/1987, S.30)

Dem Klimadiagramm kann man entnehmen, dass Guilin in den Sommermonaten eine Temperatur von 17 bis 23° C aufweist. Die Wintermonate sind mild mit Temperaturen über 9° C. Es fallen mit 1967mm ausreichend Niederschläge, die über das ganze Jahr verteilt sind. Diese warmen Temperaturen und die ausgiebigen Niederschläge bieten optimale Bedingungen für Korrosion des Kalkgesteins, die zur Verkarstung der Oberfläche führt.

Unter diesen tropischen Bedingungen können sich die dominierenden Karstvollformen entwickeln. Jedoch sind auch Karsthohlformen in tropischen und subtropischen Kalkgebieten verbreitet.

5.3. Entstehung der Karstformen:

Der Turmkarst ist eine Sonderform des Karsts und kommt überwiegend in tropischen oder subtropischen Gebieten vor. Er entwickelt sich aus dem Kuppen– und Kegelkarst. „Innerhalb gleichen tropischen Klimagebieten erweisen sich Kuppen-, Kegel- und Turmkarst als echte genetische Reihenfolge. Kuppen sind dabei die Initialformen der Karstkegel“ (WILHELMY 19925, S.53).

5.3.1. Die Bildung von Cockpits:

„Der Begriff Cockpit stammt aus Jamaica und ist abgeleitet von den dort traditionellen runden, allseitig geschlossenen Hahnenkampfgruben. Cockpits haben einen ähnlichen Durchmesser wie Dolinen[1]“ (AHNERT 2003³, S. 339).

Foto 1: Cockpits[2]Foto 2: Doline[3]

An der Stelle, wo

sich die zusammengewachsenen Cockpits treffen, wachsen erhalten gebliebene Kalkklötze als Kuppen in die Höhe.

Foto 3: Kegelkarst (aus AHNERT 2003³, S.340)

Man spricht nun von einem entstandenen Kuppenkarst, der wiederum nur ein weiterer Übergangszustand der Verkarstung sein kann. Durch weitere Lösungsvorgänge an den Hängen werden diese weiter geformt und nehmen allmählich eine kegelförmige Gestalt an.

Abb. 5: Schema der Karstentwicklung in den Tropen (nach LEHMANN, aus WILHELMY 19925, S.54)

5.3.2. Vom Kegelkarst zum Turmkarst:

Der Kegelkarst weist einen kreisförmigen Grundriss auf. Die Anordnung der Kegel und der dazwischenlegenden Hohlformen zeigt in den tropischen Karstgebieten oft eine gewisse „schachbrettartige Regelmäßigkeit“, daher spricht man oft von „gerichtetem“ Karst. Hierfür kommen drei Ursachen in Frage, die in der Natur häufig zusammenhängen.

Die erste Ursache kann sein, dass es eine gewisse Richtung als Folge eines regelmäßigen Gewässernetzes gibt und dass sich auf der Oberfläche des noch nicht verkarsteten Kalkgebietes vor dessen Heraushebung eine allgemeine Erosionsbasis ausgebildet hat.

Eine weitere Möglichkeit kann sein, dass Kluftsysteme bevorzugte Angriffszonen für den Verkarstungsprozess bilden. Die Folge ist eine regelmäßige Anordnung der Kegel und Hohlformen längs der .....

Der Kegel- und Turmkarst sind turmartige, halbkugelförmige Kalkaufragungen, die sich teilweise sehr steil aus der Ebene erheben. In Guilin können sie eine Höhe von 100 bis 200m und eine Neigung von 80 bis 90° erreichen. Dabei treten sie oft in dichten Gruppen auf. Je nach Region können 30 bis 100 kegel- oder turmförmige Kuppen pro Quadratmeter auftreten.

In Guilin bilden die höchsten Kegel und Türme eine zum Teil zusammenhängende Gipfelflur (GÖDDE 1987, S.22/29). „Die Vollformen der tropischen Karstgebiete sind aufgrund der Steilheit des Reliefs vegetationsarm oder vegetationslos …“ (VORLAUFER, K. 2005).

Foto 4: Kegelkarst in Guilin/ China (aus Geographische Rundschau 57 (2005) Heft 6, S.7)

Foto 5: Turmkarst in Guilin/ China[4]

Ursachen für die besonderen Ausprägungen der Karsttürme in Guilin sieht SWEETING 1990 in den folgenden fünf aufgeführten Punkten.

Die nächsten fünf Punkte beziehen sich auf SWETTING 1990, aus AHNERT 2003³, S. 341.

Die erste Ursache für die Sonderformen des Karstes in den Tropen ist die lang anhaltende tektonische Hebungsphase im Tertiär und Quartär.

Als weitere Möglichkeit kommt die gegliederte geologische Struktur in Frage, die vielen Verwerfungen ausgesetzt ist.

Als dritte Möglichkeit gibt SWETTING an, dass die enorme Mächtigkeit, Reinheit und Klüftigkeit des vorherrschenden devonischen und karbonischen Kalkgesteins Ursache für die markante Ausprägung der Karsttürme ist.

Außerdem haben die wasserreichen Flüsse in den frühen Phasen der Entwicklung der Kalksteine dies tief zerschnitten und es haben sich sehr steile Hänge gebildet. Durch die Zerschneidung hat sich der Grundwasserspiegel gesenkt und die Karstentwicklung hat eingesetzt.

Eine weitere Ursache sind die tief reichenden tektonischen Klüfte, durch die die Korrosion in tieferen Bereichen gut ablaufen kann und somit d.....

Außerdem gibt es in den Tropen ganzjährige Niederschläge, die zu häufiger, vollständiger Durchflutung karsthydrographisch wirksamer unterirdischer Wasserbahnen und schließlich zum Wasserstau in den Löchern am Boden und an Rändern der Karsthohlformen führen. In den gemäßigten Breiten ist es dagegen möglich, dass Trockenperioden auftreten und somit der Verkarstungsprozess stagniert.

Als letzter Grund kommt noch das feuchtwarme Tropenklima in Frage. Durch dieses Klima ist die Vegetation in dieser Region sehr üppig. Verwesende Pflanzenteile sammeln sich in Löchern und Fugen, dabei bewirken sie eine gesteigerte Mikroben-Gärung. Die dadurch entstehende Kohlensäure und weitere organische Säuren verursachen eine verstärkte Lösung des Kalkes.

Dies gleicht dann wiederum den Nachteil aus, dass wärmeres Wasser die Löslichkeit des kalkhaltigen Gesteins herabsetzt.

7. Zusammenfassung

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Basis für die Verkarstung exogene und endogene Prozesse sind. Ohne diese würde es zu keiner chemischen oder biologischen Verwitterung kommen und ohne die tektonischen Veränderungen würden auch keine Risse und Klüfte an der Erdoberfläche und damit auch nicht im Gestein entstehen.

Die drei wichtigsten Voraussetzungen für eine Verkarstung sind ein verkarstungsfähiges Gestein, die chemische Verwitterung und eine Oberfläche, die durchklüftet ist. Unter einem verkarstungsfähigen Gestein versteht man ein gut lösliches Gesteinsmaterial, wie zum Beispiel Kalkstein oder Dolomitstein.

Der Kalk wird durch kohlendioxidhaltiges Wasser gelöst, in selbigem löst sich Kalk wesentlich besser als in kohlendioxidarmen Wasser. Diese Lösungsverwitterung wird in diesem Fall auch als Korrosion bezeichnet. Die Kalklösung kann vereinfacht in der Reaktionsgleichung CaCO₃ + H₂CO₃ <--> Ca(HCO₃)₂ dargestellt werden.

Dabei reagiert Calciumcarbonat mit freien H₃O+-Ionen, die Calcitkristalle werden hydratisiert und in Calcium- und Hydrogencarbonat– Ionen zerlegt. Sobald keine Säure, also H₃O+-Ionen mehr vorhanden sind, stoppt die Reaktion, das Kalkgleichgewicht ist damit erreicht. Wie hoch der gelöste Anteil des CO₂ im Wasser ist, hängt von drei Faktoren ab. Erstens, dem CO₂- Partialdruck der Bodenluft, zweitens, der Wassertemperatur und drittens von dem Salzgehalt des Wassers.

Letzte wichtige Vorraussetzung für die Verkarstung ist die Klüftigkeit der Oberfläche. Durch Risse kann Wasser in das Gestein eindringen, dieses verwittert und es kann .....