Festkolloquium 15 Jahre Studentenzirkel Speläologie
Bergakademie Freiberg 1980                     S. 64-70

Dieter Mucke

Zur sekundären Bildung von Gips in Höhlen und Karst

Gips ist uns aus Höhlen in Gips und Anhydrit ein so vertrautes Mineral, daß wir es dort in der Regel nicht besonders suchen und sicher auch oft übersehen - das gleiche gilt für den Gipskarst über Tage. In Kalksteinhöhlen fallen uns dagegen schon wenige Gipskristalle ins Auge, weil wir sie dort nicht erwarten. Nachdem BÖGLI (1972) eine erste Zusammenfassung des Problems "Gips in Höhlen" gegeben hat, die sich aber auf Kalksteinhöhlen konzentriert, sollen hier einige Beobachtungen und Auffassungen vorgestellt werden, die in 25 Jahren Höhlen- und Karstforschung quasi "am Rande" höhlengenetischer Untersuchungen angefallen sind.

1955 identifizierte ich die an Wänden und Decke der Gipshöhle "Diebeshöhle" bei Uftrungen/Südharz wachsenden Kristalle als Kalzit. Seitdem habe ich immer wieder in unseren Gipshöhlen sekundäre zapfige Kristallbildungen und andere Kristallbildungen geprüft und bin zu der Überzeugung gekommen, daß in den tieferen Teilen unserer Gipshöhlen mit ihrem konstanten Höhlenklima auf freien Gipsdecken und -wänden mit Ausnahme der bekannten Kristallnadeln in der Barbarossahöhle eine sekundäre Gipsmineralisation fehlt, eine solche Kalzitmineralisation dagegen relativ häufig ist.

STEPANOV (1973) beschreibt aus dem mittelasiatischen Sulfatkarst der UdSSR Gipshöhlen, in denen von den Decken meterlange, kronleuchterartige Verwachsungen großer Gipskristalle herabhängen und auf den Höhlensohlen hohle Gipsstalagmiten von mehreren Metern Höhe wachsen, in die Höhlenforscher mittels über den Stalagmitenrand geworfener Strickleiter einsteigen.

Die mittelasiatischen Gipshöhlen liegen im ariden Klimabereich, wo die Verdunstung größer ist als der Niederschlag - unsere Harzer dagegen im humiden mit umgekehrtem Verhältnis. So schien mir lange klar zu sein, warum es in unseren Höhlen keine solche gewaltigen sekundären Gipsbildungen gibt: die in den Hohlraum eintretende Lösung tropft eben ab, ehe sie verdunstet.
Warum gibt es dann aber Kalzit-Tropfsteine in unseren Kalksteinhöhlen? Die Rolle der CO2-Druckentlastung kann so groß, wie bisher angenommen, nicht sein, wenn man sich unsere Beobachtungen in den Ludwigsdorfer Höhlen bei Görlitz vor Augen führt: hier ist in Jahrtausenden bis Jahrmillionen kein Stalaktit gewachsen, aber die Bewetterung durch den Grubenaufschluß hat in wenigen Jahren zahlreiche Sinterbildungen wachsen lassen - die schon immer mögliche Druckentlastung hat hier keine Rolle gespielt, eine um so größere dagegen die Verdunstung.

Wenn man völlige Sättigung der Lösungen annimmt (und das kann man für Gips wohl zumindest in den Schlotten bei 50 bis 100 m Deckgebirge), kann 1 l verdunstendes Wasser der maximalen Löslichkeit entsprechend im Kalkkarst 0,1 bis 0,2 g CaCO3, im Gipskarst dagegen 2 g CaSO4, d.h. weit über 2 g Gips abscheiden. Die Realität (Vorhandensein von Kalzitstalaktiten, Fehlen von Gipsstalaktiten) ist nur dadurch erklärbar, daß aus irgendwelchen Gründen in Gipshöhlen der aus Deckenklüften austretende Tropfen nicht zur Verdunstung kommt, weil er (vielleicht durch geringere Oberflächenspannung der CaSO4-Lösung?) schneller abtropft als der Tropfen in der Kalksteinhöhle. Hier wird wohl die Notwendigkeit entsprechender Untersuchungen deutlich.

Nach diesem ungelösten Problem nun aber jene Fälle der sekundären Gipsbildung, die in ihren Grundgesetzmäßigkeiten klar erscheinen.

Gips in Kalksteinhöhlen

1961 habe ich die weißen, blättrigen Kristallrasen und Beläge die im Bereich "Gotisches Gewölbe" und an anderen Steilen die Wände der Kameruner Höhle (Rübeland/Harz) überziehen, als Gips identifiziert und durch schwefelsaure Sickerwässer erklärt. Sie gehen auf die Oxydation von Pyrit und anderen Sulfiden in der Umgebung der Mittelharzer Gänge (basische Gesteinsgänge) zurück. Diese Erklärung halte ich noch heute für richtig, wobei es sich bei dem Pyrit auch um imprägnative Gehalte im Kalkstein handeln kann, die auf andere Weise (synsedimentär, metasomatisch oder hydrothermal) entstanden sind. Sie stimmt mit der Auffassung von BÖGLI 1972) überein, der außerdem berechnet hat, daß 1 Mol FeS4  4 Mol CaCO3 in 2 Mol Gips und 2 Mol gelöstes Kalziumhydrogenkarbonat verwandelt oder daß durch Zersetzung von 1 cm³ Pyrit  6 cm³ Kalkstein aufgelöst werden können.

Die Gipsbildungen der Kameruner Höhle gehören zum Typ der Kristallrosetten. Ähnlich entstandene, jedoch feiner kristalline krustige Überzüge sind auch in den Zechstein-Karbonatgesteinshöhlen an den Rändern des Thüringer Waldes, so z.B. in der Kittelsthaler Höhle zu beobachten.

Gips in Sulfatgesteinhöhlen und Gipskarst

1. Gipsbildung unter Wasser
1.1. Große, meist isometrische Lösungsreservoire ohne freie Wasseroberfläche

Zu diesem Typ gehört die Bildung des Marienglases in Gipshöhlen der älteren Generation. Seine Kristalle sind bei mehreren Metern Länge und Dicke bis zu einigen Dezimetern von primatischem Habitus. Sie sind offenbar sehr langsam und von allen Seiten des Raumes (Sohle, Wände, Decke) im total wassererfüllten Hohlraum, also im phreatischen Bereich gewachsen und bilden ein intersertales Gefüge.

1.2. Große Lösungsreservoire mit freier Wasseroberfläche

In den Schlotten der Mansfelder und Sangerhäuser Mulde aber auch in alten bergmännisch angelegten Hohlräumen im Kupferschiefer- und Kalibergbau mit Standwasser oder langsam fließendem Wasser, haben sich die von Mineralsammlern so geschätzten "Eislebener Gipskristalle" gebildet. Sie stellen Kristallrasen aus subparallelorientierten Kristallen von prismatischem Habitus dar, die auf den Sohlen und Wänden oder auf Gesteinsstücken, Grubenholz und anderen Fremdkörpern aufgewachsen sind. Die aus der Kaligrube Roßleben bekannten sekundären Gipse neigen mehr zu zapfiger Verwachsung. Die Kristallisationsgeschwindigkeit dieser Gipse ist wesentlich höher als die des Marienglases. Bei Durchmessern um 1 cm erreichen sie Längen von 5 bis 10 cm.

1.3. Große, spaltenförmige Lösungsreservoire ohne freie Wasseroberfläche

Aus den Spalten im Einsturzgebirge, d.h. tonigen Sedimenten des Zechsteins und des Buntsandsteins, die das Relief des verkarsteten Gipses füllen, aber auch noch in tonigen Schichten der Trias, wo immer Sulfatgesteine in der Nähe sind (Röt mittlerer Muschelkalk, Keuper) treten als Spaltenfüllungen Fasergipse auf, die von beiden Salbändern aus infolge geometrischer Selektion parallel verwachsene Nadelaggregate bilden, die in einer Wachstumsnaht (bzw. bei mehreren Öffnungsbewegungen der Spalte auch in mehreren Nähten) zusammenstoßen. Die Nadellängen erreichen bis zu 10 cm.

1.4. Kleine Lösungsreservoire (Tropfen)

In den Wassertropfen, die - aus Kondensations- oder Sickerwasser entstanden - an der anhydritischen Decke der Barbarossahöhle hängen, wachsen divergent-strahlige Gipsnadelaggregate hervor, die Längen und Aggregatdurchmesser bis zu einem Zentimeter erreichen.
Ähnliches Wachstum in einzelnen Wassertropfen ist für kleine Gipskristalle anzunehmen, die im Gipskarst über Tage an Felswänden und Steinen aus Gips wachsen: hier ist als auslösender Mechanismus der ständige Wechsel Kondensation (Tau) oder Sublimation (Reif) und Auftauen/Lösung des Gipses/Verdunstung und Wiederausfällung des Gipses unter bevorzugtem Wachstum bestimmter Kristalle (geometrische Selektion) anzunehmen. Im Ergebnis entstehen büschelig orientierte mm-lange Einzelkristallgruppen oder schichtige Überzüge subparallel orientierter Faserrasen. Hierzu möchte ich - eventuell unter Mitwirkung von Sickerwasser - auch jene krustenartigen Überzüge und z.T. stalaktitisch -zapfigen Gipsbildungen rechnen, die an Felswänden, aber auch in eingangsnahen Bereichen von Gipsklufthöhlen zu beobachten sind und von M. BRUST/Sondershausen und M. KUPETZ/Freiberg als Gipssinter bezeichnet werden.

1.5. Große Lösungsreservoire mit wechselnd unter- und übersättigtem Wasser

Während für die Lösungsreservoirtypen 1.1. bis 1.4. stets übersättigte Lösung anzunehmen ist, gibt es Seen, die ein langsam fließendes Wasser enthalten, das sich in Abhängigkeit von der meteorologischen Situation in seinem Sättigungsgrad ändert: bei starkem Zufluß oder/und verstärktem Tropfwasseranfall ist es untersättigt, bei geringem Zufluß lokal übersättigt. Solche Verhältnisse liegen z.B. im Thyrasee der Heimkehle bei Uftrungen vor. Hier dominieren korrosive Lösungsformen (zerfressene schräge Seitenwände, hinterlaugte Kalzitsinterdecken), aber bis etwa 1 m unter dem Wasserspiegel sind die Höhlenwände von Neubildungen mm-großer, idiomorpher, liegend aufgewachsener Gipskristalle von prismatischem Habitus überdeckt. Ihre wasserspiegelnahe Bildung ist vom Ausscheidungsmechanismus (Nähe der Verdunstungsschicht) der Kalkhäutchenbildung in Höhlengewässern ähnlich.

1.6. Freie Kristallisation aus Flüssigkeitsfilmen

Aus Flüssigkeitsfilmen an höhlenmeteorologisch prädisponierten Stellen für Kondensationseffekte können freie Kristalle herauswachsen, wie das schon aus Kalksteinhöhlen beschrieben wurde. Solche idiomorphen Einzelkristalle von gedrungenem Habitus erreichten in der ukrainischen Gipshöhle Optimističeskaja bis zu 10 cm Länge, sind jedoch auch (hier wesentlich kleiner und prismatisch) aus Deckenspalten der Heimkehle bekannt.

2. Wachstum in der Luft

Aus verschiedenen Höhlen wurden prismatisch-gestreckte bis nadelige Einkristalle (Viskers) beschrieben, die von der Basis aus praktisch in der Luft in den Raum hineinwachsen. Sie sind wegen des häufig blumenartigen Umbiegens ihrer Köpfe als Anthoditen, Antholithe (STEPANOV 1971) oder Aulopholithe (BÖGLI 1978) bekannt. Wir haben solche bis über 10 cm lange Einkristalle in der Höhle "Optimističeskaja" beobachtet, wo sie von der Basis her aus dem Höhlensediment senkrecht nach oben wuchsen: als bleistiftstarke, gekrümmte Einkristalle oder als Nadelrasen.

3. Kristallisation im Sediment

3.1. Gipsrosen

Schon lange sind aus Tongruben divergentstrahlige Gipsrosetten (sog. Gipsrosen) bekannt, die nach der Verwitterung von Sulfiden (Markasit, Pyrit) unter Umwandlung von Kalksubstanz durch Sammelkristallisation um Keime herum entstehen. Der hohe Wachstumsdruck der Kristalle ist in der Lage, die Tonsubstanz vor sich her zu schieben. Solche Bildungen sind auch im Höhlenlehm der Barbarossahöhle verbreitet, wo sich im Mittelpunkt der Rosetten häufig Holzkohlestücke befinden. In Sulfatgesteinshöhlen ist die SO4-Quelle natürlich nicht ein Sulfid, sondern das normale Sicker-, Tropf- und Flußwasser mit seinem gelösten CaSO4-Anteil. Das gilt ebenso für jene kugelrunden Gipskonkretionen, wie wir sie aus dem Einsturzgebirge aber verkarstetem Zechsteingips im Raum Kreisfeld bei Eisleben kennen. Auch sie sind aus divergentblättrigen, pinakoidalen Gipskristallen aufgebaut (MUCKE u.a. 1976).

3.2. Gipskristallrasen

Für die Heimkehle ist ein anderer, sekundärer Gipstyp charakteristisch: Kristallrasen aus subparallel verwachsenen, prismatischen bis blättrigen Individuen, die ausschließlich unter Lehmbedeckung auf dem Gipsfelsen von Sohle und Wänden wachsen und plattenförmige, cm-starke Körper aus Verwachsungen blättriger Kristalle, die sich in Setzungsrissen im Lehm ausgeschieden haben (auf letztere wurde ich von R. VÖLKER/Uftrungen hingewiesen).

3.3. Gipsite

In den Sedimenten der Wimmelburger Schlotten wurde von uns beobachtet, daß eine lückenlose Reihe zwischen unverfestigten über schwachgipsverfestigte Dolomitschluffe bis zu massiven Gipsen, in denen die urspüngliche Textur der Schluffe kaum oder nicht mehr zu erkennen ist, besteht. Nach der geologischen Literatur kommen ähnliche Erscheinungen in Salzwüsten vor - der Vorgang der Gipsausscheidung durch oberflächliche Verdunstung und damit Übersättigung der kapillar aufsteigenden CaSO4-haltigen Porenwässer wird als Effloreszenz bezeichnet; das Produkt heißt Gipsit, solange es unverfestigt ist (LOTZE 1957) und kann in seiner verfestigten Form als Gipsit-Zementit bezeichnet werden. Ähnliche Bildungen sind aus der Barbarossahöhle bekannt.

4. Gipsit-Zementite im Höhlenmuttergestein

Auch die von BEYER (1911) grundsätzlich geklärte, zementierende Ausfällung von Gips in den Wandpartien der kretazischen Sandsteine des Elbsandsteingebirges, die sich ja auch in Schichtfugen- und Halbhöhlen vom Charakter echter Karsthöhlen vollzieht, ist den beschriebenen Effloreszenzprozessen zuzuordnen. Schwefelquelle sind hier allerdings Sulfid und organische Substanzen. Die Höhlen- und Wabenbildung erfolgt hier durch die Wechselwirkung von Gipsit-Zementation und Alaun-Kristallsprengung.

Mit den genannten Beispielen, die sicher noch nicht vollständig sind und zu denen eigentlich auch die Vergipsung von Anhydrit selbst oder die Marienglassprossung in Alabasterkugeln gehört, sollte die Aufmerksamkeit der Höhlen- und Karstforscher auf die Vielfalt der Entstehungsmöglichkeiten sekundären Gipses gelenkt und solcher Gips zur aufmerksamen Beobachtung empfohlen werden.


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Quellen:
 
BEYER, O.:Alaun und Gips als Mineralneubildungen und als Ursachen der chemischen Verwitterung in den Quadersandsteinen des sächsischen Kreidegebietes. Z. Deutsch. geol. Ges. 63 (1911) S. 429-467, Berlin 1912
BÖGLI, A.:Gips in Höhlen. Urner Mineralienfreund 10 (1972) 6, S. 77-84
BÖGLI, A.:Karsthydrographie und physische Speläologie. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag 1978
LOTZE, F.:Steinsalz und Kalisalze. Berlin, Borntraeger 1957
STEPANOV, V. I.:Periodičnost' processov kristallizacii v karstovych peščerach. A.N.SSSR, Min.Muzej im. A.E. Fersmana, Trudy, vyp. 20, Moskva: Nauka 1971
STEPANOV, V. I.:mündliche Mitteilung Moskau 1973
MUCKE, D.; LOBST, R.; NAUMANN, F.:Erläuterungen zur Karstkarte Eisleben. Unveröffentlicht. Freiberg 1976