Speläotheme im Wildkirchli – Amazing Geology
 

Überblick

Die Wildkirchlihöhle ist eine Karsthöhle und war einst die Schweizer Sehenswürdigkeit schlechthin. Früher waren Teile der Höhle mit Tropfsteinen aus Kalk weißlich besetz. Damals wurde die Ausscheidung kohlensauren Kalks, Mondmilch genannt, gesammelt und als Medizin verwendet. Es gibt weitere Tropfsteine in der Höhle, die ich euch mit diesem Earthcache zeigen möchte.

Wichtig: Bitte berührt diese empfindlichen Tropfsteine nicht. Die Bildung von Tropfsteinen ist extrem langsam. Sie wachsen durchschnittlich nur wenige Millimeter pro Jahr, abhängig von der Menge des tropfenden Wassers und der Menge an gelöstem Kalk.
 

Wie entsteht eine Karsthöhle?

Aufgrund ihrer bizarren Tropfsteine zählen Karsthöhlen zu den spektakulärsten Höhlenformen.

Eine Karsthöhle entsteht durch chemische Verwitterung und Erosion, vor allem in Kalkstein, Gips oder Dolomit. Dies geschieht in einem Prozess, der als Karstbildung bezeichnet wird. Hier sind die Hauptschritte:

1. Kohlensäureverwitterung: Regenwasser nimmt beim Durchdringen der Atmosphäre und des Bodens Kohlendioxid (CO₂) auf und bildet Kohlensäure (H₂CO₃). Diese schwache Säure kann Kalkstein und ähnliche Gesteine langsam auflösen.

2. Auflösung des Kalksteins: Das kohlensäurehaltige Wasser sickert in Risse und Spalten im Gestein. Über lange Zeiträume löst das Wasser den Kalkstein auf und erweitert die Risse. Der chemische Prozess lässt das Gestein zerfallen, wobei Kalziumbikarbonat entsteht, das vom Wasser weggespült wird.

3. Erweiterung und Bildung von Höhlenräumen: Wenn sich die Risse und Spalten immer weiter vergrößern, entstehen unterirdische Hohlräume. Das fließende Wasser trägt weiter zur Erosion bei und vergrößert die Höhlenräume.

4. Abtragung und Höhlenwachstum: Das Wasser fließt durch das System und kann dazu führen, dass sich die Höhlen stetig ausweiten. Wenn die Höhlendecke einstürzt, können größere Hohlräume oder Höhlengebiete entstehen.

Die Bildung von Karsthöhlen ist ein sehr langsamer Prozess, der sich über Tausende bis Millionen von Jahren erstrecken kann. Große Karsthöhlen bestehen häufig aus mehreren Stockwerken von Höhlengängen.

Bild 1

Für die Korrosion und Höhlenbildung spielt das Vorhandensein von Säure im Wasser eine entscheidende Rolle. Wasser (H2O) allein kann Kalk (CACO3) kaum lösen. Doch durch Säure vor allem Kohlensäure (H2CO3) die durch die Verbindung von Wasser und Kohlendioxid (Co2) aus der Atmosphäre (in der Luft sowie als auch bei Abbauvorgängen durch Bodenorganismen) entsteht, reagiert der Kalk und es entsteht das leicht lösliche Kalziumhydrogenkarbonat. (Ca(HCO3)2). In vegetationsreichen Bereichen ist durch den hohen Anteil an CO2 ist die Verkarstung noch intensiver und aggressiver.
 

Wie entstehen Tropfsteine?

In vielen Karsthöhlen tropft Wasser mit gelöstem Kalziumkarbonat von der Decke. Wenn der Tropfen von der Höhlendecke hängt, verdunstet das Wasser und das Kalziumkarbonat wird wieder abgelagert. Diese Ablagerungen bilden nach und nach Stalaktiten, die von der Decke nach unten wachsen.

Wenn der Tropfen auf den Höhlenboden fällt, hinterlässt er ebenfalls eine kleine Menge Kalziumkarbonat. Diese Ablagerungen wachsen mit der Zeit in Form von Stalagmiten, die vom Boden nach oben wachsen.

Obwohl der Hauptprozess der Karstbildung, sowohl an der Oberfläche als auch im Untergrund, das Schmelzen ist, entstehen Tropfsteine durch den genau entgegengesetzten Prozess – die Sedimentation. Tropfsteine werden daher auch Speläotheme  genannt. Der Name Speläothem ist international bekannt und bedeutet Höhlensediment (Griechisch Spelaion = Höhle, Grube, Thema = Sediment).
 

Welche Arten von Speläothemen gibt es?              

Speläotheme nehmen verschiedene Formen an, je nachdem, wie sie entstehen – z. B. durch tropfendes Wasser, wie oben beschrieben, durch Überfließen von Wänden, durch Spritzen, durch Wachstum auf Kristallen auf Oberflächen von Seen, durch Sedimentation im Unterwasserbereich usw. Einige Arten von Speläotheme werden nach ihrer Morphologie (Gestalt, Form) benannt w. z. B. Höhlenperlen und Vorhänge und nach der Umgebung, in der sie entstanden sind, wie z. B. Höhlenflöße und Unterwasser-Speläotheme.

Bisher wurden auf der Welt über 30 verschiedene Arten von Speläothemen isoliert, ich möchte nur auf einige wenige Arten eingehen. Stalaktite und Stalagmite wurde ja bereits oben beschrieben.

Sinterröhrchen

Sinterröhrchen (auch Röhrchensinter genannt) sind sehr feine, hohle Tropfsteinformationen, die sich in Höhlen bilden. Sie entstehen durch das langsame Abtropfen von kalkhaltigem Wasser an der Decke einer Höhle und sind die ersten Stadien eines Stalaktiten. Sinterröhrchen sind in der Regel sehr dünn (oft nur wenige Millimeter dick) und können mehrere Zentimeter lang werden. Sie sind zerbrechlich und wachsen sehr langsam. Wenn das Wasser schneller fließt oder mehr Kalziumkarbonat abgelagert wird, können die Röhrchen sich zu massiveren Stalaktiten weiterentwickeln.

Stalagnat

Ein Stalagnat (auch Sintersäule, Tropfsteinsäule oder kurz „Säule“ genannt) ist eine Tropfsteinform, die sich aus einem Stalaktiten und einem Stalagmiten gebildet hat.

Sintervorhänge

Diese häufige und charakteristische Form von Speläothemen tritt an schrägen Decken oder überhängenden Wänden auf, entlang derer das Wasser geradlinig fließt und eine dünne Kalzitschicht hinterlässt. Je nach Wasserweg kann der Vorhang flach oder gewunden sein.

Sinterbecken

Durch das Aufschütten einer dünnen Wasserschicht auf schrägen Böden des Kanals oder schrägem Sinterfall wird die Wasserströmung auf der Unebenheit turbulent, so dass ein solchen Aufschütten den Verlust von Co2 und die Kristallisation von Kalzit auf der Ausbuchtung fördert. Die Ausbuchtung wächst und bildet einen Damm, der kleiner und größere Tümpel entstehen lässt. Der Damm wächst also und wird von einem Anstieg des Wasserspiegels begleitet.

Mondmilch

Mondmilch ist ein weißer, cremiger bis pastöser Belag, der in Höhlen, besonders in Karsthöhlen, vorkommt. Es handelt sich um eine feine Ablagerung von Kalk (Kalziumkarbonat) und anderen mineralischen Bestandteilen wie Ton oder Quarz, die durch chemische Verwitterung von Kalkstein entstehen. Der Name "Mondmilch" kommt von der milchigen Konsistenz der Substanz.. Einige Exemplare sind biogenen Ursprungs, d. h. sie werden durch Pilze gebildet. Mikropilze sind die Kristallisationszentren um die herum später Kalzit auskristallisiert. Der Begriff beruht auf einer historischen Beschreibung der Höhle Mondmilchloch am Pilatus aus dem Jahr 1555.

Koralloide

Koralloide haben runde, knollenartige, nierenartige oder korallenartige Formen, nach denen sie auch ihren Namen erhielten. Sie werden Popcorn, Korallen, Botryoide (griech. Botys = Knäuel), Blumenkohl, Orangen, etc. genannt. Ihre Größe variiert von kleinen, millimetergroßen Knötchen bis zu Durchmessern von über 1m. Neben der Filterung und Trocknung eines dünnen Wasserfolms auf den Unebenheiten des Höhlenkanals als grundlegenden Mechanismus der Sedimentation bilden sich Luftkoralloide unter der Bedingung der Besprühung, der Kapillarbewegung von Wasser aus dem See entlang der Wände, der Kombination von Kondensation und Trocknung und der Aerosole.

Höhlenperlen

Entstehungsprozess von Höhlenperlen ist komplex und unterscheidet sich deutlich von anderen Tropfsteinen wie Stalaktiten oder Stalagmiten. Sie entstehen in wassergefüllten Höhlenbecken, wenn sich Kalziumkarbonat schichtweise um einen kleinen Fremdkörper, wie ein Sandkorn, ablagert. Das Wasser im Becken enthält gelöstes Kalziumkarbonat, das sich bei der Verdunstung absetzt. Durch die Bewegung im Wasser rollen die Perlen, was verhindert, dass sie am Boden festwachsen, und sorgt für ihre kugel- oder eiförmige Form. Sie sind selten und benötigen spezifische Bedingungen wie kalkhaltiges Wasser und ständige Bewegung, um sich zu bilden.

Heliktite

Im Gegensatz zu Stalaktiten, die durch Abtropfen unter Einfluss der Schwerkraft entstehen, bilden sich Helektite aus sehr langsamen Kapillarströmen, die durch kapillarem Auftrieb oder hydrostatischen Druck getragen werden. Die Richtung des Wachstums von Heliktiten wird durch Kräfte der Kristallisation bestimmt, nicht durch die Schwerkraft, und daher wachsen Heliktiten in alle Richtungen und sogar in die der Schwerkraft entgegengesetzte Richtung. Der Name kommt von griechischen Wort Helix, was verdreht bedeutet.

Farben von Speläothemen

Kalzite sind wenn sie rein sind (ohne Beimengungen) farblos. In Höhlen zeigen sie jedoch eine große Farbvariabilität, die von der nahen Quelle mineralischer Verunreinigungen, dem Boden über der Höhle, der Vegetationsdecke, dem Klima und der allgemeinen Höhlenumgebung abhängt.

Die cremefarbenen, gelb-braunen, orangefarbenen und braunen Farben stammen in der Regel von Huminsäuren, die aus der Bodendecke über der Höhle gefiltert wurden. Organische Moleküle sind zwischen Kalzitkristallen eingemischt und können auch in das Kristallgitter eingebettet sein. Oxide und Hydroxide von Eisen (rot, braun, gelb) und Mangan (schwarz) sind intensiv gefärbt. Sie können selbst Überzüge über den Speläothemen bilden oder in geringen Mengen in der mineralischen Zusammensetzung der Speläotheme verteilt sein und Ihnen so ihre charakteristischen Farbe verleihen. Hochwasserablagerungen aus Schluss, Ton, Staub und organischem Material färben die Speläotheme rostfarben und schwarz.

Bei längerem Aufenthalt einer Kolonie von Fledermäusen und auch bei anderen Tieren bildet sich durch ihre Reaktion ihres Urins mit dem Kalzit der Speläotheme eine dünne Kruste aus Phosphatmineralien auf den Speläothemen, die oft dunkelbraun bis schwarz ist.

Quelle:
H. Leser Geomorphologie
Wikipedia
Besuch der Karsthöhle Baredine in Kroatien
Fotos:
Höhlenperle: Wikipedia
Helektite: Flickr, James St. Jon
restliche: eigene Bilder

LOGBEDINGUNG

Um diesen Earthcache loggen zu können, begebe dich zu den im Listing angegebenen Koordinaten, die dich zur Wildkirchli-Höhle führen. Wandere durch die Höhle und beantworte dabei die untenstehenden Fragen. Bitte sende deine Antworten über das Nachrichtencenter oder direkt per Mail.

1. Welche der oben aufgeführten Speläotheme kannst du hier finden?

2. Bitte beschreibe, wo du diese Speläotheme gefunden hast (In der hintersten Ecke der Höhle, am Eingang, an der Decke oder an Seitenwänden oder am Boden? Was war hinsichtlich Fundort nach deiner Meinung entscheidend für die Entstehung an dieser Stelle?

3. Was für ein Klima herrschte während deines Besuchs in der Höhle? Bietet es nach deiner Einschätzung gute Bedingung für das Wachstum von Speläothemen (Achte hierbei auf tropfende Decken bzw. Wassertropfen an der Decke, Wärme, zur Verdunstung des Wassers,  Bodenbeschaffenheit,…)

4. Die Höhlendecke ist an vielen Stellen schwarz gefärbt. Was glaubst Du ist der Ursprung dieser Färbung. Hängt es mit den o.g. Beimengungen von Mineralien oder Urin von Fledermäusen zusammen oder ist es menschlichen Ursprungs? Bitte Begründe deine Antwort. (Hinweis: Schaue dir die Lichtinstallationen und Texte in der Höhle an)

5. Mache ein Foto von dir oder einem persönlichen Gegenstand an einen der beiden Höhleneingängen, ohne Informationen zu den Speläothemen und den gestellten Fragen zu spoilern.

Speleothems of the Wildkirchli Cave

Overview

The Wildkirchli Cave is a karst cave and was once the Swiss tourist attraction par excellence. Parts of the cave used to be covered with whitish limestone stalactites. At that time, the excretion of carbonic lime, called moon milk, was collected and used as medicine. There are other stalactites in the cave that I would like to show you with this Earthcache.

Important: Please do not touch these delicate stalactites. The formation of stalactites is extremely slow. On average, they only grow a few millimeters per year, depending on the amount of dripping water and the amount of dissolved lime.

How is a karst cave formed?

Karst caves are one of the most spectacular cave forms due to their bizarre stalactites.

A karst cave is formed by chemical weathering and erosion, especially in limestone, gypsum or dolomite. This happens in a process called karstification. Here are the main steps:

1. Carbonic weathering: Rainwater absorbs carbon dioxide (CO₂) as it passes through the atmosphere and soil and forms carbonic acid (H₂CO₃). This weak acid can slowly dissolve limestone and similar rocks.

2. Dissolution of the limestone: The carbonated water seeps into cracks and crevices in the rock. Over long periods of time, the water dissolves the limestone and widens the cracks. The chemical process causes the rock to break down, producing calcium bicarbonate, which is washed away by the water.

3. Expansion and formation of cave spaces: As the cracks and crevices continue to expand, underground cavities are formed. The flowing water further contributes to erosion and enlarges the cave spaces.

4. Erosion and cave growth: The water flows through the system and can cause the caves to steadily expand. If the cave ceiling collapses, larger cavities or cave areas can form.

The formation of karst caves is a very slow process that can take thousands to millions of years. Large karst caves often consist of several floors of cave passages.

Image 1

The presence of acid in the water plays a crucial role in corrosion and cave formation. Water (H2O) alone can hardly dissolve lime (CACO3). But acid, especially carbonic acid (H2CO3), which is created by the combination of water and carbon dioxide (CO2) from the atmosphere (in the air as well as during degradation processes by soil organisms), causes the lime to react and the easily soluble calcium hydrogen carbonate (Ca(HCO3)2) is formed. In areas with rich vegetation, karstification is even more intense and aggressive due to the high CO2 content.

How are stalactites formed?

In many karst caves, water containing dissolved calcium carbonate drips from the ceiling. When the drop hangs from the cave ceiling, the water evaporates and the calcium carbonate is redeposited. These deposits gradually form stalactites that grow downwards from the ceiling.

When the drop falls to the cave floor, it also leaves behind a small amount of calcium carbonate. These deposits grow over time in the form of stalagmites that grow upwards from the floor.

Although the main process of karst formation, both on the surface and underground, is melting, stalactites are formed by the exact opposite process - sedimentation. Stalactites are therefore also called speleothems. The name speleothem is internationally known and means cave sediment (Greek spelaion = cave, pit, thema = sediment).

What types of speleothems are there?

Speleothems take different forms depending on how they are formed - e.g. by dripping water as described above, by overflowing walls, by splashing, by growing on crystals on lake surfaces, by sedimentation underwater, etc. Some types of speleothems are named according to their morphology (shape, form) e.g. cave pearls and curtains and according to the environment in which they were formed, e.g. cave rafts and underwater speleothems.

To date, over 30 different types of speleothems have been isolated in the world, I will only discuss a few types. Stalactites and stalagmites have already been described above.

Sinter tubes

Sinter tubes (also called tube sinter) are very fine, hollow stalactite formations that form in caves. They are formed by the slow dripping of calcareous water on the ceiling of a cave and are the first stages of a stalactite. Sinter tubes are usually very thin (often only a few millimeters thick) and can be several centimeters long. They are fragile and grow very slowly. If the water flows faster or more calcium carbonate is deposited, the tubes can develop into more massive stalactites.

Stalagnate

A stalagnate (also called sinter column, stalactite column or "pillar" for short) is a stalactite form that has formed from a stalactite and a stalagmite.

Sinter curtains

This common and characteristic form of speleothems occurs on sloping ceilings or overhanging walls, along which the water flows in a straight line and leaves a thin layer of calcite. Depending on the water path, the curtain can be flat or winding.

Sinter basin

By heaping up a thin layer of water on sloping floors of the channel or sloping sinter fall, the water flow on the unevenness becomes turbulent, so that such heaping promotes the loss of CO2 and the crystallization of calcite on the bulge. The bulge grows and forms a dam that creates smaller and larger pools. The dam therefore grows and is accompanied by a rise in the water level.

Moon milk

Moon milk is a white, creamy to pasty coating that occurs in caves, especially in karst caves. It is a fine deposit of lime (calcium carbonate) and other mineral components such as clay or quartz, which are formed by chemical weathering of limestone. The name "moon milk" comes from the milky consistency of the substance. Some specimens are of biogenic origin, i.e. they are formed by fungi. Microfungi are the crystallization centers around which calcite later crystallizes. The term is based on a historical description of the Moon Milk Hole cave on Mount Pilatus from 1555.

Coralloids

Coralloids have round, tuberous, kidney-like or coral-like shapes, which is why they got their name. They are called popcorn, corals, botryoids (Greek botys = ball), cauliflower, oranges, etc. Their size varies from small, millimeter-sized nodules to diameters of over 1m. In addition to the filtering and drying of a thin film of water on the unevenness of the cave channel as the basic mechanism of sedimentation, aerial coralloids form under the condition of spraying, the capillary movement of water from the lake along the walls, the combination of condensation and drying and aerosols.

Cave pearls

The process of formation of cave pearls is complex and differs significantly from other stalactites such as stalactites or stalagmites. They form in water-filled cave pools when calcium carbonate is deposited in layers around a small foreign body, such as a grain of sand. The water in the pool contains dissolved calcium carbonate, which settles during evaporation. The movement in the water causes the pearls to roll, which prevents them from sticking to the bottom and ensures their spherical or egg-shaped shape. They are rare and require specific conditions such as calcareous water and constant movement to form.

Helictites

Unlike stalactites, which form by dripping under the influence of gravity, helectites form from very slow capillary flows carried by capillary buoyancy or hydrostatic pressure. The direction of growth of helictites is determined by forces of crystallization, not gravity, and therefore helictites grow in all directions and even in the direction opposite to gravity. The name comes from the Greek word helix, which means twisted.

Colors of speleothems

Calcites are colorless when pure (without impurities). However, in caves they show a great variability in color, which depends on the nearby source of mineral impurities, the soil above the cave, the vegetation cover, the climate and the general cave environment.

The cream, yellow-brown, orange and brown colors usually come from humic acids filtered from the soil cover above the cave. Organic molecules are mixed between calcite crystals and can also be embedded in the crystal lattice. Oxides and hydroxides of iron (red, brown, yellow) and manganese (black) are intensely colored. They can form coatings over the speleothems themselves or be distributed in small amounts in the mineral composition of the speleothems, giving them their characteristic color. Flood deposits of slag, clay, dust and organic material color the speleothems rust-colored and black.

If a colony of bats and other animals stay for a long time, their urine reacts with the calcite of the speleothems to form a thin crust of phosphate minerals on the speleothems, which is often dark brown to black.

Source:
H. Leser Geomorphology
Wikipedia
Visit to the Baredine karst cave in Croatia
Photos:
Cave pearl: Wikipedia
Helectite: Flickr, James St. Jon
Remaining: own images

LOG CONDITIONS

To log this Earthcache, go to the coordinates given in the listing, which will lead you to the Wildkirchli Cave. Walk through the cave and answer the questions below. Please send your answers via the message center or directly by email.

1. Which of the speleothems listed above can you find here?

2. Please describe where you found these speleothems (in the furthest corner of the cave, at the entrance, on the ceiling or on the side walls or on the floor? What do you think was decisive for their formation in this place in terms of the location?

3. What kind of climate prevailed during your visit to the cave? In your opinion, does it offer good conditions for the growth of speleothems (pay attention to dripping ceilings or drops of water on the ceiling, warmth, water evaporation, soil conditions, etc.)

4. The cave ceiling is black in many places. What do you think is the origin of this color? Is it related to the above-mentioned admixture of minerals or bat urine or is it of human origin? Please explain your answer. (Hint: look at the light installations in the cave)

5. Take a photo of yourself or a personal item at one of the two cave entrances, without giving any information about the speleothems and the questions asked spoilers.