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Kalk im Wasserkreislauf

Quellkalke

Kalkfällung in einem Quellbach

Das Grundwasser ist mit Kalk gesättigt - im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. Der CO 2 -Gehalt des Grundwassers ist immer höher, als es dem Gleichgewicht mit der Atmosphäre entspricht. In der Quelle entweicht also CO 2 an die Luft, der pH-Wert steigt an und das Wasser in der Quelle wird kalkabscheidend. Dadurch kommt es im Verlauf des Baches zur Ablagerung von Kalk. Besonders deutlich wird dies bei einem Holzstück aus dem Bach, bei dem die Kalkhülle zur Hälfte entfernt wurde.
Kalkfällung in einem Quellbach Ausgefällter Kalk auf einem Aststück
Im Boden entsteht durch den biologischen Abbau organischer Substanz weiteres CO 2 , das sich im versickernden Wasser lösen kann. Dies verstärkt die Lösung von Kalk im Boden. Zwischenbilanz: Wir haben also ein Wasser, das sich im Gleichgewicht mit der Bodenluft mit CO 2 angereichert hat und dadurch verstärkt Kalk gelöst hat. Der Gehalt des Wassers an CO 2 ist höher, als es im Gleichgewicht mit atmosphärischer Luft möglich wäre.

Bildung von Tropfsteinen

Wenn dieses Wasser mit Kalk gesättigt ist ( Calcitsättigung ) und dann zum Beispiel in einer unterirdischen Höhle aus dem Boden/Gestein austritt, so geht CO 2 gasförmig an die Höhlenluft verloren. Der oben beschrieben Vorgang wird umgekehrt: Summarisch, vereinfacht : Calcit fällt aus dem Wasser aus und es kommt zur Bildung von Tropfsteinen.
Gleichung: Erhöhte Lösung von Kalk durch CO 2
Gleichung: Fällung von Kalk durch CO 2 - Entzug
Der gleiche Prozess kann bei einem mit Kalk gesättigten Wasser in einer Quelle ablaufen. CO 2 gast aus und geht an die Luft verloren. Kalk fällt aus und bildet sogenannte Quellkalke.
Dies passiert aber nur in wenigen Quellen, da die austretenden Wässer meist nicht mit Kalk gesättigt sind und das ausgasende CO 2 dann nicht zur Kalkfällung führt.
Tropfsteine durch Kalkfällung

Kalk ist in Gesteinen der Erdkruste enthalten.

Kalkstein besteht überwiegend aus Calcit, zu einem geringen Anteil aus Aragonit. Dolomit ist ein Carbonat-Mischgestein aus CaCO 3 und MgCO 3 . Kalkstein und Dolomit sind durch Fällung von Kalk und/oder durch Sedimentation von Kalkschalen von Kleinstlebewesen (z.B. Foraminiferen) in den Urmeeren entstanden. Viele Gesteine sind jedoch frei von Kalk, so zum Beispiel Basalt und Granit.

Der Kontakt mit Wasser führt zur Lösung des Kalks aus dem Gestein.

Kalk löst sich dabei physikalisch im Wasser (siehe Calcitsättigung ). Die Löslichkeit ist aber sehr gering, so dass so nur geringe Konzentrationen an Calcium im Wasser zu erwarten wären. Durch das Vorhandensein von Kohlensäure im Wasser erhöht sich die Löslichkeit von Kalk im Wasser. Der natürliche CO 2 -Gehalt im Regenwasser führt zu einer Ansäuerung des Wassers auf pH 5,6. Durch anthropogene Gase (z.B. SO 2 , NO x ), die zusammen mit Wasser Säuren bilden, kann der pH-Wert des Regenwassers noch niedriger liegen. Im Boden fördert dies die Lösung von Mineralien und Kalk. Summarisch, vereinfacht :

Verkarstung

In Kalkgestein / Carbonatgestein kommt es häufig zur Verkarstung. Wasser mit gelöster Kohlensäure dringt in Spalten und Klüfte des Gesteins ein. Durch die Lösung des Kalks werden in geologischen Zeiträumen aus den Spalten Klüfte und aus den Klüften zum Teil große Höhlensysteme. Ein Beispiel eines solchen Höhlensystems ist das Hölloch im Mahdtal (Kleinwalsertal) im Bereich Hoher Ifen und Gottesackerplateau. Die vermessene Ganglänge dieser Höhle beträgt 12.900 Meter (http://www.hoelloch.de/index.php). Der Eingangsschlund zu dieser Höhle, das eigentliche Hölloch, geht 76 m in die Tiefe. Das verkarstete Gestein (Schrattenkalk) des Hohen Ifen und des Gottesackers entwässert über dieses Höhlensystem. Das Wasser kommt in drei größeren und einigen kleine Karstquellen wieder an die Oberfläche.
Das Hölloch, eine Karsthöhle
Abbildung: Hölloch, 76m tief , Zugang zur Karsthöhle

Bachschwinden

Oberflächenwasser kann in Karstgebieten in den Spalten des Karst versickern, fließt dann direkt über diese Hohlräume unterirdisch ab und bildet zum Teil unterirdische Seen und Flüsse. Verschwinden ganze Bäche oder Flüsse im Untergrund, so bezeichnet man dies als Bachschwinde (Schluckloch), Versickerung (laminares Fließen) oder Versinkung (turbulentes Fließen). Bekannt ist die Donauversinkung bei Immendingen, wo bei Niedrigwasser der ganze Fluss in den Boden einsickert. Bei Hochwasser bleibt eine abfließende Restwassermenge im Flussbett.

Karstquellen

In Karst-Grundwasserleitern fließt das Wasser unterirdisch mit hohen Fließgeschwindigkeiten, durchaus vergleichbar mit Oberflächengewässern. Wenn das Wasser punktförmig in Karstquellen wieder an die Erdoberfläche kommt, haben diese eine sehr hohe Quellschüttung. Deutschlands größte Karstquellen 1. Aachquelle (Radolfzeller Aach, mündet in den Bodensee) Mittlere Schüttung 8.590 Liter pro Sekunde (1.300 bis 24.000 L/s) (Der Großteil des Wassers stammt aus der Donauversinkung bei Immendingen) 2. Blautopf (Blau, mündet in die Donau) Mittlere Schüttung 2.280 Liter pro Sekunde (250 bis 32.670 L/s) 3. Rhumequelle (Rhume, mündet in die Leine) Mittlere Schüttung 2.000 Liter pro Sekunde Größtes Quellgebiet Deutschlands Paderquellen (Pader, mündet in die Lippe) Alle Quellen zusammen im Mittel 5.000 Liter pro Sekunde (3.000 bis 9.000 L/s)

Estavelle

Eine Estavelle ist Bachschwinde und Karstquelle gleichzeitig. Bei Niedrigwasser fungiert sie als Bachschwinde und nimmt das Oberflächenwasser auf, das unterirdisch abfließt. Bei Hochwasserständen ist der Grundwasserkörper so angefüllt, dass die Estavelle überläuft und zur Karstquelle wird. Estavelle in der Funktion als Bachschwinde (Schwarzwasserbach im Kleinwalsertal)

Seekreide

In Seen kann es bei intensiver Photosynthese durch CO 2 -Zehrung zu einer Anhebung des pH-Wertes kommen. Wenn dabei das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht überschritten wird, kommt es zur Kalkfällung im Gewässer und es bildet sich Seekreide. Im Bodensee finden sich häufig Kalkablagerungen auf den Blättern der Wasserpflanzen (biogene Entkalkung). Aufgewirbelte kalkhaltige weiße Sedimente im Uferbereich des Bodensees werden dort als Wysse bezeichnet.
Donauversinkung bei Immendingen
Abbildung: Donauversinkung bei Immendingen
Karstquelle Aachtopf
Abbildung: Aachquelle im Hegau
Abbildung: Blautopf (Blaubeuren) bei Ulm
Abbildung: Rhumequelle (Rhumspringe)
Abbildung: Eine der Paderquellen (Paderborn)
Abbildung: Estavelle im Schwarzwassserbach (Kleinwalsertal)
Abbildung: Wysse im Uferbereich des Untersees (Bodensee)
Karstquelle Blautopf Karstquelle Rhumequelle Quellgebiet der Pader Eine Estavelle als Karsterscheinung Kalk als Wysse im Bodensee
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Kalk im Wasserkreislauf

Quellkalke

Kalkfällung in einem Quellbach

Das Grundwasser ist mit Kalk gesättigt - im Kalk- Kohlensäure-Gleichgewicht. Der CO 2 -Gehalt des Grundwassers ist immer höher, als es dem Gleichgewicht mit der Atmosphäre entspricht. In der Quelle entweicht also CO 2 an die Luft, der pH-Wert steigt an und das Wasser in der Quelle wird kalkabscheidend. Dadurch kommt es im Verlauf des Baches zur Ablagerung von Kalk. Besonders deutlich wird dies bei einem Holzstück aus dem Bach, bei dem die Kalkhülle zur Hälfte entfernt wurde.
Kalkfällung in einem Quellbach Ausgefällter Kalk auf einem Aststück
Im Boden entsteht durch den biologischen Abbau organischer Substanz weiteres CO 2 , das sich im versickernden Wasser lösen kann. Dies verstärkt die Lösung von Kalk im Boden. Zwischenbilanz: Wir haben also ein Wasser, das sich im Gleichgewicht mit der Bodenluft mit CO 2 angereichert hat und dadurch verstärkt Kalk gelöst hat. Der Gehalt des Wassers an CO 2 ist höher, als es im Gleichgewicht mit atmosphärischer Luft möglich wäre.

Bildung von Tropfsteinen

Wenn dieses Wasser mit Kalk gesättigt ist ( Calcitsättigung ) und dann zum Beispiel in einer unterirdischen Höhle aus dem Boden/Gestein austritt, so geht CO 2 gasförmig an die Höhlenluft verloren. Der oben beschrieben Vorgang wird umgekehrt: Summarisch, vereinfacht : Calcit fällt aus dem Wasser aus und es kommt zur Bildung von Tropfsteinen.
Gleichung: Erhöhte Lösung von Kalk durch CO 2
Gleichung: Fällung von Kalk durch CO 2 - Entzug
Der gleiche Prozess kann bei einem mit Kalk gesättigten Wasser in einer Quelle ablaufen. CO 2 gast aus und geht an die Luft verloren. Kalk fällt aus und bildet sogenannte Quellkalke.
Dies passiert aber nur in wenigen Quellen, da die austretenden Wässer meist nicht mit Kalk gesättigt sind und das ausgasende CO 2 dann nicht zur Kalkfällung führt.
Tropfsteine durch Kalkfällung

Kalk ist in Gesteinen der Erdkruste enthalten.

Kalkstein besteht überwiegend aus Calcit, zu einem geringen Anteil aus Aragonit. Dolomit ist ein Carbonat-Mischgestein aus CaCO 3 und MgCO 3 . Kalkstein und Dolomit sind durch Fällung von Kalk und/oder durch Sedimentation von Kalkschalen von Kleinstlebewesen (z.B. Foraminiferen) in den Urmeeren entstanden. Viele Gesteine sind jedoch frei von Kalk, so zum Beispiel Basalt und Granit.

Der Kontakt mit Wasser führt zur Lösung des Kalks

aus dem Gestein.

Kalk löst sich dabei physikalisch im Wasser (siehe Calcitsättigung ). Die Löslichkeit ist aber sehr gering, so dass so nur geringe Konzentrationen an Calcium im Wasser zu erwarten wären. Durch das Vorhandensein von Kohlensäure im Wasser erhöht sich die Löslichkeit von Kalk im Wasser. Der natürliche CO 2 -Gehalt im Regenwasser führt zu einer Ansäuerung des Wassers auf pH 5,6. Durch anthropogene Gase (z.B. SO 2 , NO x ), die zusammen mit Wasser Säuren bilden, kann der pH-Wert des Regenwassers noch niedriger liegen. Im Boden fördert dies die Lösung von Mineralien und Kalk. Summarisch, vereinfacht :

Verkarstung

In Kalkgestein / Carbonatgestein kommt es häufig zur Verkarstung. Wasser mit gelöster Kohlensäure dringt in Spalten und Klüfte des Gesteins ein. Durch die Lösung des Kalks werden in geologischen Zeiträumen aus den Spalten Klüfte und aus den Klüften zum Teil große Höhlensysteme. Ein Beispiel eines solchen Höhlensystems ist das Hölloch im Mahdtal (Kleinwalsertal) im Bereich Hoher Ifen und Gottesackerplateau. Die vermessene Ganglänge dieser Höhle beträgt 12.900 Meter (http://www.hoelloch.de/index.php). Der Eingangsschlund zu dieser Höhle, das eigentliche Hölloch, geht 76 m in die Tiefe. Das verkarstete Gestein (Schrattenkalk) des Hohen Ifen und des Gottesackers entwässert über dieses Höhlensystem. Das Wasser kommt in drei größeren und einigen kleine Karstquellen wieder an die Oberfläche.
Das Hölloch, eine Karsthöhle
Abbildung: Hölloch, 76m tief , Zugang zur Karsthöhle

Bachschwinden

Oberflächenwasser kann in Karstgebieten in den Spalten des Karst versickern, fließt dann direkt über diese Hohlräume unterirdisch ab und bildet zum Teil unterirdische Seen und Flüsse. Verschwinden ganze Bäche oder Flüsse im Untergrund, so bezeichnet man dies als Bachschwinde (Schluckloch), Versickerung (laminares Fließen) oder Versinkung (turbulentes Fließen). Bekannt ist die Donauversinkung bei Immendingen, wo bei Niedrigwasser der ganze Fluss in den Boden einsickert. Bei Hochwasser bleibt eine abfließende Restwassermenge im Flussbett.

Karstquellen

In Karst-Grundwasserleitern fließt das Wasser unterirdisch mit hohen Fließgeschwindigkeiten, durchaus vergleichbar mit Oberflächengewässern. Wenn das Wasser punktförmig in Karstquellen wieder an die Erdoberfläche kommt, haben diese eine sehr hohe Quellschüttung. Deutschlands größte Karstquellen 1. Aachquelle (Radolfzeller Aach, mündet in den Bodensee) Mittlere Schüttung 8.590 Liter pro Sekunde (1.300 bis 24.000 L/s) (Der Großteil des Wassers stammt aus der Donauversinkung bei Immendingen) 2. Blautopf (Blau, mündet in die Donau) Mittlere Schüttung 2.280 Liter pro Sekunde (250 bis 32.670 L/s) 3. Rhumequelle (Rhume, mündet in die Leine) Mittlere Schüttung 2.000 Liter pro Sekunde Größtes Quellgebiet Deutschlands Paderquellen (Pader, mündet in die Lippe) Alle Quellen zusammen im Mittel 5.000 Liter pro Sekunde (3.000 bis 9.000 L/s)

Estavelle

Eine Estavelle ist Bachschwinde und Karstquelle gleichzeitig. Bei Niedrigwasser fungiert sie als Bachschwinde und nimmt das Oberflächenwasser auf, das unterirdisch abfließt. Bei Hochwasserständen ist der Grundwasserkörper so angefüllt, dass die Estavelle überläuft und zur Karstquelle wird. Estavelle in der Funktion als Bachschwinde (Schwarzwasserbach im Kleinwalsertal)

Seekreide

In Seen kann es bei intensiver Photosynthese durch CO 2 -Zehrung zu einer Anhebung des pH- Wertes kommen. Wenn dabei das Kalk- Kohlensäure-Gleichgewicht überschritten wird, kommt es zur Kalkfällung im Gewässer und es bildet sich Seekreide. Im Bodensee finden sich häufig Kalkablagerungen auf den Blättern der Wasserpflanzen (biogene Entkalkung). Aufgewirbelte kalkhaltige weiße Sedimente im Uferbereich des Bodensees werden dort als Wysse bezeichnet.
Donauversinkung bei Immendingen
Abbildung: Donauversinkung bei Immendingen
Karstquelle Aachtopf
Abbildung: Aachquelle im Hegau
Abbildung: Blautopf (Blaubeuren) bei Ulm
Abbildung: Rhumequelle (Rhumspringe)
Abbildung: Eine der Paderquellen (Paderborn)
Abbildung: Estavelle im Schwarzwassserbach (Kleinwalsertal)
Abbildung: Wysse im Uferbereich des Untersees (Bodensee)
Karstquelle Blautopf Karstquelle Rhumequelle Quellgebiet der Pader Eine Estavelle als Karsterscheinung Kalk als Wysse im Bodensee