Mischungskorrosion

Unter Mischungskorrosion versteht man in der Höhlenkunde die Korrosion von Kalkstein oder Dolomit, die durch das Mischen zweier kalkgesättigter Lösungen kohlensäurehaltigen Wassers entsteht.

Wasser, das durch Spalten tief in den Berg rinnt, ist bereits gesättigt, das heißt, es kann kein Ca²⁺ mehr lösen. Trotzdem bilden sich in der Tiefe, an Stellen, wo sich Rinnsale in Haarrissen oder Spalten treffen, über lange Zeiträume, große Hohlräume ohne nennenswerte Zu- und Abflüsse. Auch entstehen Kolke in wassergefüllten Hohlräumen an solchen Stellen, wo durch einen Riss Wasser eingedrückt wird.

Normalerweise ist die Kohlensäure-Konzentration (H₂CO₃) – abhängig von der Temperatur der jeweiligen Lösung − in den Gerinnen unterschiedlich, daher bildet sich am Zusammenfluss eine Lösung mit neuer Konzentration. Da die Menge gelösten Calciumcarbonats mit der Kohlensäurekonzentration im Wasser nicht linear zunimmt, wird nun wieder Kalzit gelöst.

Mischungskorrosion nach Bögli 1963^[1]

Grundlage der Grafik ist die Reaktionsgleichung:

$\mathrm{CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca^{2+} (aq) + 2 \ HCO_3^{-} (aq)}$.

Es wurde untersucht, bei welcher Stoffmasse gelösten Kohlenstoffdioxids sich welche Stoffmasse Calciumcarbonat (Kalk) im Gleichgewichtszustand löst. Man erhält so die schwarze Gleichgewichtskurve im Schaubild. Der Zusammenhang zwischen beiden Größen ist nicht linear.

Mischt man zwei gleiche Volumina von Karstwässern^{[Anm. 1]} der Zusammensetzung P1 (1 mg/L CO₂ und 74 mg/L CaCO₃) und P2 (47 mg/L CO₂ und 273 mg/L CaCO₃), so erhält man durch Addition der gelösten Stoffmassen und Division durch zwei (Mittelwertbildung) die Zusammensetzung der Mischung. Sie entspricht der Zusammensetzung im Punkt T (24 mg/L CO₂ und 173,5 mg/L CaCO₃). T ist der Mittelpunkt der Strecke P1–P2. Demnach liegt T nicht auf der Gleichgewichtkurve, da diese eben keine Gerade ist. Deshalb ergibt sich, dass die Mischung mit der Zusammensetzung T, obwohl sie aus zwei kalkgesättigten Wässern entstanden ist, nun an Kalk untersättigt ist und deshalb weiteren Kalk lösen kann. In phreatischen (wassergefüllten) Karsthohlräumen kann durch das Wasser kein zusätzliches CO₂ aufgenommen werden. Das heißt, es kann nur so viel Kalk zusätzlich gelöst werden, wie durch den Mischungsvorgang überschüssiges CO₂ entstanden ist. Das durch den Mischungsvorgang frei gewordene CO₂ entspricht der Länge der Strecke CT.

Will man herausfinden, wie viel Kalk durch den Mischungsvorgang zusätzlich gelöst werden kann, so muss man berücksichtigen, dass zur Lösung von 1 mmol Kalk (entsprechend 100 mg) 1 mmol Kohlenstoffdioxid (entsprechend 44 mg) gebraucht wird. Zwischen beiden Größen besteht eine Proportionalität, die Proportionalitätskonstante entspricht der Steigung der Geraden, die durch die Punkte (44/0) und (0/100) geht. Verschiebt man diese Gerade parallel zur y-Achse, so dass sie durch den Punkt T geht, schneidet sie die Gleichgewichtskurve im Punkt A. Der Abstand AB des Punktes A von der Strecke CT entspricht der Kalkmenge, die durch Mischungskorrosion zusätzlich gelöst wird.

Anmerkungen

1. ↑ Das Wasser muss gelöstes CO₂ enthalten, um überhaupt Kalk lösen zu können.

Einzelnachweise

1. ↑ Alfred Bögli: Ein Beitrag zur Entstehung von Karsthöhlen. In: Verband Österreichischer Höhlenforscher, Verband der deutschen Höhlen- und Karstforscher e.V. (Hrsg.): Die Höhle – Zeitschrift für Karst und Höhlenkunde. 14, Nr. 3, 1963, ISSN 0018-3091, S. 63–68.

Siehe auch

• Karst
• Kohlensäureverwitterung