– Entstehung von Tropfstein
– Formen von Tropfstein
– Lampenflora

Entstehung von Tropfstein

Kalkstein besteht aus Calciumcarbonat. Kalkstein ist sehr anfällig gegen chemische Verwitterung. Zwar löst Calciumcarbonat selbst sich nur schwer in Wasser; wenn jedoch Kohlendioxid dazu kommt, bildet sich das sehr leicht lösliche Calciumhydrogencarbonat (siehe unten).

Verwitterung

Während bei physikalischer Verwitterung der Stein mechanisch zerkleinert wird, bspw. durch Wind, Niederschläge oder Fließgewässer, wird er (bzw. die chemischen Stoffe, aus denen er besteht) bei chemischer Verwitterung in andere chemische Stoffe zersetzt.
Wenn der Kalkstein aufgelöst wird, entstehen Risse im Stein. Bereits in kleine Risse kann (Regen-)Wasser eindringen und die Bestandteile des Kalksteins weiter auflösen, die Risse werden größer, mehr Wasser kann eindringen usw – und schließlich entstehen Höhlen.

Lösung von Calciumcarbonat

Was genau geschieht chemisch bei der Lösung von Kalk? Das Regenwasser nimmt aus der Luft Kohlendioxid auf. Aus Wasser und Kohlendioxid bildet sich Kohlensäure. Diese reagiert mit Calciumcarbonat zu Calciumhydrogencarbonat, das sich sehr gut in Wasser löst:

H₂O + CO₂ → H₂CO₃

H₂CO₃ + CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂

oder in eine Reaktionsgleichung zusammengefasst (der Doppelpfeil trägt der Tatsache Rechnung, dass jede chemische Reaktion auch in die Gegenrichtung ablaufen kann):

H₂O + CO₂ + CaCO₃ ⇔ Ca(HCO₃)₂

Während das Wasser in Rinnen und Klüften durch den Kalkstein rinnt, löst es auf die Weise so lange Carbonat auf, bis es gesättigt mit Carbonat ist – also kein weiteres Calciumcarbonat mehr aufnehmen kann. Trifft das rinnende Wasser nun auf einen Hohlraum (wie eine Höhle), kommt es dort mit Luft in Berührung. Daraufhin verlässt Kohlendioxid das Wasser – das heißt, Calciumhydrogencarbonat zersetzt sich wieder in Wasser, Kohlendioxid und Calciumcarbonat. Rinnt das Wasser nur langsam bspw. an einer Höhlendecke entlang, bildet es aufgrund der Oberflächenspannung Tropfen. Eine Ansammlung von Tropfen hat zur Umgebungsluft eine größere Oberfläche als dieselbe Menge Wasser in einem zusammhängenden Wasserkörper oder -film. Die Abgabe von Kohlendioxid wird durch die große Oberfläche erleichtert.
Durch das Entweichen von Kohlendioxid bleibt im Wasser Calciumcarbonat übrig, das nur schlecht löslich ist – Kalk fällt aus (d. h., er setzt sich aus der Lösung als feste Substanz ab) und bildet neuen Kalkstein. Diesen neu entstandenen Kalkstein nennt man Tropfstein oder Sinter. Im Laufe der Zeit bilden sich so an der Höhlendecke Zapfen (Stalaktiten) oder andere Strukturen. Fällt der Tropfen schließlich herunter, zerplatzt er beim Auftreffen auf den Boden. Die Oberfläche zur Umgebungsluft vergrößert sich nochmals (viele kleine Tropfen haben eine größere Oberfläche als ein großer), wiederum tritt Kohlendioxid aus und in der Folge fällt auch am Boden Kalk aus, ein Stalagmit entsteht.

Wichtig ist, dass der Kalk sich nicht ablagert, weil das Wasser verdunstet, sondern weil es Kohlendioxid abgibt und das zurückbleibende Calciumcarbonat schlecht löslich ist und das Wasser deshalb auch verlassen muss.

Wie schnell dieser Prozess vor sich geht, hängt von der Temperatur, der Wassermenge, dem Kalk- und dem Kohlendioxidgehalt des Wassers ab. Größenordnungsmäßig liegt die Wachstumsgeschwindigkeit bei 0,1 mm pro Jahr. Auch die Beschaffenheit der Gebirgsoberfläche ist von Bedeutung: Ist die Oberfläche nur wenig bewachsen und nur wenig oder gar nicht von Humus bedeckt, nimmt das Wasser nur wenig Kohlendioxid auf und kann entsprechend wenig Kalkstein lösen und wieder ablagern. Die Tropfsteine wachsen daher in Höhlen unter unbewachsenen Böden langsamer.

  Abb. 1 ¦ Tropfstein  

BildunterschriftDie Farbe von Tropfstein entsteht durch Beimengungen von Mineralien: Eisen bewirkt eine gelbe oder rote Verfärbung, Kupfer eine grünliche, Mangan färbt den Tropfstein schwarz. Bildunterschrift Ende

Durch die Entstehung erklärt sich auch der Name: Tropfstein ist ein Stein, der von tropfendem Wasser gebildet wird.

Sinter

Tropfstein ist eine Form von Sinter. Allgemein werden mit Sinter Ablagerungen bezeichnet, die entstehen, wenn in Wasser gelöste Minerale sich abscheiden. Im Fall von Tropfstein sind das (meist) Kalkablagerungen, es gibt jedoch auch andere Sinterarten. Beispielsweise zählen auch die Feuersteinknollen, die sich in der Kreide gebildet haben, zum Sinter. Auch Feuerstein bildet sich durch Ablagerung aus einer wässrigen Lösung (in diesem Fall einer kieselsäurehaltigen) in den Poren des umgebenden Gesteins (hier: der Kreide).

  Abb. 2 ¦ Schwefelsinter  

BildunterschriftSchwefelsinter in der Caldera des Vulkans Krafla (Island). Bildunterschrift Ende

Formen von Tropfstein

Die hier gezeigten Fotos haben wir in zwei Höhlen aufgenommen:

– der Kubacher Kristallhöhle; Webseite der Höhle: http://www.kubacherkristallhoehle.de/

– der Tropfsteinhöhle „Herbstlabyrinth“ bei Breitscheid; Webseite der Höhle: http://www.zeitspruenge.de/index.php/schauhoehle-herbstlabyrinth

  Abb. 3 ¦ Stalaktiten  

BildunterschriftEin Stalaktit entsteht, wenn Wassertropfen an der Höhlendecke Kalk ablagern. Der Stalaktit wächst also von der Höhlendecke nach unten. (Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

  Abb. 4a ¦ Stalagmit  

Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

  Abb. 4b ¦ Stalagmit  

BildunterschriftStalagmiten entstehen, wenn Wassertropfen auf die Erde fallen und dort Kalk ablagern. Stalagmiten wachsen also vom Boden aus nach oben. (Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

  Abb. 5 ¦ Stalagnat  

BildunterschriftEin Stalagnat oder eine Tropfsteinsäule entsteht, wenn ein Stalagmit und ein Stalaktit zusammenwachsen. (Dieser kleine Stalagnat steht in der Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

  Abb. 6a ¦ Knöpfchensinter  

BildunterschriftBildunterschrift Ende

  Abb. 6b ¦ Knöpfchensinter  

Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

  Abb. 6c ¦ Knöpfchensinter  

BildunterschriftKnöpfchensinter, auch Blumenkohlsinter oder Perlsinter genannt, in der Kubacher Kristallhöhle. Bildunterschrift Ende

  Abb. 7 ¦ Excentriques  

BildunterschriftExcentriques sind sehr selten. Das Wasser, das sie wachsen lässt, kann auf der Oberfläche als Film fließen, aber auch in einer Kapillare im Innern der Excentriques. Ihre Form ist unregelmäßig; es gibt welche, die sehen sie aus wie sich windende Würmer. Sie können von allen Seiten der Höhle wachsen und tun das oft entgegen der Schwerkraft. (Auch wenn Stalagmiten von unten nach oben wachsen, ist die Schwerkraft letztlich die Ursache – denn die lässt die Wassertropfen nach unten fallen). Ihre Entstehung ist noch nicht endgültig geklärt, die Ursache für ihr Wachstum könnten Kapillarkräfte sein. Kapillarkräfte sorgen beispielsweise auch dafür, dass Wasser in einen Schwamm eindringt, wenn man ihn in eine Wasserlache legt – auch hier wandert das Wasser dann entgegen der Schwerkraft. Ähnlich könnte das Wasser in dem Oberflächenfilm oder der zentralen Kapillare in den Excentriques durch Kapillarkräfte entgegen der Schwerkraft getrieben werden. Lagert sich aus dem Wasser Kalk ab, ergibt sich dann automatisch auch ein Wachstum des Excentriques entgegen der Schwerkraft. (Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

  Abb. 8a ¦ Sinterfahne  

Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

  Abb. 8b ¦ Sinterfahne  

BildunterschriftSinterfahnen oder Sintervorhänge bilden sich entlang von überhängenden Flächen. Während bei einer waagerechten Decke die Tropfen einfach nach unten fallen und dabei Stalaktiten und Stalagmiten bilden, rinnt das Wasser an einer geneigten Fläche herunter und hinterlässt eine Spur von Kalk. Folgen nun die Tropfen immer wieder derselben bevorzugten Bahn, bildet sich im Laufe der Zeit aus der Kalkspur ein Sintervorhang. Die Sinterfahne im unteren Bild ist 8 m lang. (Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

  Abb. 9 ¦ Sinterbecken  

BildunterschriftSinterbecken entstehen, wenn Wasser Pfützen in Vertiefungen bildet, dort stehen bleibt und verdunstet. Die Konzentration von gelöstem Kalk steigt dadurch im verbleibenden Wasser an, da der nicht mit verdunstet. An den Rändern der Pfütze bilden sich Ablagerungen und weil der Wasserspiegel sinkt, liegen sie irgendwann über dem Wasserspiegel. (Ähnlich den Kalkrändern, die man auch zu Hause mitunter in Gefäßen beobachten kann, wenn dort drin längere Zeit Wasser steht und verdunstet.) Auf die Weise bilden sich mit der Zeit gefäßartige Senken, die wie Terrassen übereinander angeordnet sind und überlaufendes Wasser an die nächsten Sinterbecken abgeben. Die im Foto gezeigten Sinterbecken sind sehr klein – sie können auch sehr viel größer sein, bis zu mehrere Meter breit. (Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

  Abb. 10a ¦ Sinterfall  

BildunterschriftSinterfall in der Kubacher Kristallhöhle Bildunterschrift Ende

  Abb. 10b ¦ Sinterfall  

BildunterschriftSinterfall in der Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid. Bildunterschrift Ende

  Abb. 11 ¦ Röhrchensinter  

BildunterschriftRöhrchensinter oder Sinterröhrchen sind sehr gerade, innen hohl, haben höchstens 1 cm Durchmesser und wachsen von der Höhlendecke nach unten. Während beim Stalaktit das Wasser an der Außenseite des Tropfsteins entlang fließt, fließt es beim Sinterröhrchen innen. Außen sind die Röhrchen daher trocken. Sie entstehen, weil an der Decke hängende Wassertropfen diese mit einer kreisförmigen Grundfläche berühren. Der Kalk lagert sich entlang der kreisförmigen Begrenzung dieser Grundfläche ab. So bildet sich ein Ring, der dann nach unten wächst und so zum Röhrchen wird. Verstopft das Röhrchen, kann das Wasser nur noch außen fließen und ein Stalaktit entsteht. (Aber nicht alle Stalaktiten entstehen aus Sinterröhrche.)
Solche Stalaktiten sind zwischen den Röhrchen auch zu sehen; unten links ein Stalagmit.
(Schauhöhle Herbstlabyrinth bei Breitscheid) Bildunterschrift Ende

Lampenflora

Wenn durch Tiere oder Menschen oder über Luft oder Wasser Samen oder Sporen in die Höhle getragen werden, genügt oft das Licht der Höhlenbeleuchtung, um Pflanzen wachsen zu lassen. Deshalb nennt man diese Pflanzen Lampenflora. Solche Lampenflora kommt natürlicherweise nicht vor und entsteht nur in beleuchteten, d. h. für Touristen erschlossenen, Höhlen. Da die Pflanzen Säuren ausscheiden, können sie den Tropfstein angreifen. Man versucht daher, die Beleuchtung so gering wie möglich zu halten. Es gibt Hinweise, dass LED-Lampen die Lampenflora weniger fördern.

  Abb. 10b ¦ Lampenflora  

BildunterschriftMoos in der Kubacher Kristallhöhle Bildunterschrift Ende