Karst

Grundidee und Verbreitung

Karst bezeichnet in Geologie und Geomorphologie Landschaften mit unterirdischen Formen wie Karsthöhlen und oberirdischen Formen wie Oberflächenkarst. Sie entstehen vor allem in Karbonatgesteinen, besonders Kalkstein mit Calciumcarbonat (CaCO_{3}), außerdem auch in Sulfatgesteinen, Salzgesteinen sowie Sandsteinen und Quarziten. Entscheidend ist die Verkarstung: Wasser löst das Gestein chemisch, sodass Klüfte, Hohlräume, Höhlen und besondere Oberflächenformen entstehen. Das wichtigste Merkmal ist ein überwiegend unterirdischer Wasserhaushalt. Das Wasser fließt also oft nicht in oberirdischen Bächen ab, sondern verschwindet im Gestein und tritt an anderer Stelle wieder aus.

Karstlandschaften können trotz hoher Niederschläge sehr trockene Böden haben, weil Wasser rasch in den Untergrund versickert. Großräumig kommt Karst um das Mittelmeer, in Südostasien und Südchina, auf den Großen Antillen, auf der Halbinsel Yucatán und im Indoaustralischen Archipel vor. Kleinräumiger findet man ihn in Mitteleuropa, zum Beispiel in der Schwäbischen Alb, Fränkischen Alb, im Französischen und Schweizer Jura sowie in Teilen der Alpen. Aufgeschlossenes Karbonatgestein ohne Evaporite bedeckt etwa 20 % der eisfreien Landfläche. Carbonate wie Calcit CaCO_{3} und Dolomit CaMg(CO_{3})_{2} gehören außerdem zu den größten Kohlenstoffspeichern der Erde.

Humangeografisch unterscheiden sich Karstlandschaften stark. Im mediterranen Karst war seit der Antike Herdenviehhaltung mit saisonaler Wanderung verbreitet. In tropischen Karstländern sind dagegen stärker bewässerungsorientierte Ackerbauformen und Kleintierhaltung typisch. Seit 2025 ist der 13. September UNESCO-„Internationaler Tag für Höhlen und Karst“.

Entstehung durch Lösung von Gestein

Karst entsteht vor allem in humiden bis semi-ariden Gebieten, wenn hartes, durch Kohlensäure angreifbares Massengestein mit hohem Kalziumkarbonat-Gehalt vorhanden ist. Das Gestein darf nicht primär stark porös sein; primär poröse Karbonate wie Kreide verhindern tiefe Verkarstung. In mächtigen, einförmigen Massenkalken kann Verkarstung dagegen mehrere tausend Meter unter die Erdoberfläche reichen.

Die wichtigste chemische Reaktion ist die Kohlensäureverwitterung. In Wasser gelöstes Kohlenstoffdioxid bildet Kohlensäure:

H_{2}O + CO_{2} → H_{2}CO_{3}

Diese Kohlensäure reagiert mit Kalziumkarbonat zu gelöstem Kalziumhydrogenkarbonat:

H_{2}CO_{3} + CaCO_{3} → Ca^{2+} + 2 HCO_{3}^{-}

Als Gesamtreaktion gilt:

CO_{2} + H_{2}O + CaCO_{3} ⇌ Ca^{2+} + 2 HCO_{3}^{-}

Der Doppelpfeil bedeutet: Die Reaktion ist umkehrbar. Aus kalkgesättigtem Wasser kann Calciumcarbonat wieder ausfallen und Gesteine oder Formen wie Travertin und Tropfstein bilden. Mischungskorrosion beschreibt, dass zwei bereits gesättigte Lösungen mit unterschiedlichem Kalkgehalt nach dem Mischen wieder weiteren Kalk lösen können. Für große Höhlen ist dieser Effekt aber nur untergeordnet wichtig. Bedeutender ist, dass Wasser bis etwa 80 % Sättigung schnell Kalk löst, danach aber nur sehr langsam vollständig gesättigt wird. Darum bleibt es auch tief im Karst noch leicht aggressiv.

Für die Bildung eines Karstreliefs braucht es lösliches Gestein, flüssiges Wasser und passende klimatische Bedingungen. Hohe Reinheit und Mächtigkeit des Kalksteins sowie viel Niederschlag fördern starke Verkarstung. Beispiele aus dem Artikel nennen Calciumcarbonat-Reinheiten von 99 % und Niederschläge bis 5000 mm/Jahr in Montenegro und Neuguinea oder 2500 mm/Jahr in Südwest-China. Niederschläge unter 500 mm/Jahr und unreine, tonreiche Kalke hemmen starke Verkarstung. Dolomit verkarstet wegen seines Magnesiumgehalts meist sehr langsam.

Wasserhaushalt und typische Formen

Die Karsthydrologie, also das Wasserverhalten im Karst, ist für die Landschaftsformung zentral. Weil Wasser durch Klüfte und Hohlräume unterirdisch abfließt, gibt es im Karst oft wenige oberirdische Flüsse. Viele Flüsse in Karstregionen sind allochthon: Sie entstehen außerhalb des Karsts und durchqueren ihn. Karstflüsse aus dem Karst selbst sind dagegen selten. Zur Untersuchung des Karstwassers werden Tracer und geologische Bomben eingesetzt, um Wasserwege im Untergrund nachzuverfolgen.

Typische oberirdische Karstformen sind Karren, Dolinen, Schlunde, Uvalas, Poljen, Hume und Mogoten. Karren sind Lösungsformen an Kalksteinoberflächen, von millimeterkleinen Rinnen bis zu Megakarren im Meterbereich. Dolinen sind meist flache, geschlossene, ovale Eintiefungen im Meter- bis Dekametermaßstab; Einsturzdolinen können mehrere hundert Meter tief sein. Ein Schlund oder Schlundloch ist eine schachtartige, tiefreichende Röhre, die entlang von Klüften entsteht. Eine Uvala ist eine größere, unregelmäßige geschlossene Depression, die oft durch Zusammenwachsen mehrerer Dolinen entsteht. Ein Polje ist eine große, tiefe Senke im Kilometermaßstab mit ebenem Boden und mächtigen Sedimenten. Poljen können dauerhaft, periodisch oder episodisch überflutet sein und bilden wichtige hydrologische Knoten.

Zum karsthydrologischen Formenschatz gehören Trockentäler, Ponore oder Schlucklöcher, Estavellen, Karstquellen, Sickerflüsse und Höhlen. Unterirdisch sind Höhlen und Speläotheme wichtig. Speläotheme sind Höhlenbildungen durch Ausfällung von Kalk, besonders Tropfsteine: Stalaktiten hängen von der Decke, Stalagmiten wachsen vom Boden nach oben, Stalagnaten sind zusammengewachsene Tropfsteinsäulen. Karstebenen und Karstplateaus sind große flache Oberflächen im Karst, auf denen geschlossene Senken, unterirdische Entwässerung und weitere Karstformen auftreten.

Karsttypen und Entwicklung

Karstlandschaften werden unter anderem nach Klima und Entwicklungsgrad eingeteilt. Klimageomorphologisch unterscheidet man Formen der gemäßigten, subtropischen und tropischen Regionen. Merokarst ist nur teilweise verkarstet und typisch für kühlgemäßigte Breiten, etwa Mittel- und Westeuropa. Dort treten vor allem Karren, Schlucklöcher sowie kleine und flache Dolinen auf; weil diese Landschaften meist bewachsen sind, spricht man auch von „Grünem Karst“. Große Formen wie Uvalas, Poljen, tiefe Karstschlote und tropische Vollformen fehlen meist.

Holokarst ist voll entwickelter Karst. Er tritt in tropischen, subtropischen und teilweise gemäßigten Breiten auf. Dort kommen alle Karstformen vor, besonders Poljen und in den Tropen auch Karstkegel. Im Holokarst ist der Wasserabfluss meist stark vertikal organisiert; Poljen können aber als zeitweise horizontale Knoten wirken, wenn sie Sickerflüsse oder saisonale Überschwemmungen haben.

Der Dinarische Karst ist die Typform des mediterranen Karsts. Er ist durch viele Dolinen, große Poljen und oberflächliche Wasserarmut geprägt. Bei sehr hohen Niederschlägen kann er in polygonalen Karst übergehen, bei hohen Niederschlägen und hohen Temperaturen in Cockpit-Karst. Polygonaler Karst entsteht, wenn sehr viele Dolinen dicht nebeneinander liegen und nur schmale Rücken zwischen ihnen bleiben; Durchmesser bis 400 m werden genannt. Cockpit-Karst ist eine tropische Landschaft mit sehr steilen, teils bis 120 m tiefen Vertiefungen, den Cockpits, deren Böden oft flach und sternförmig sind.

Kegelkarst gehört zum volltropischen Karst und umfasst Formen wie Mogote, Cockpit und Honeycomb. Er entsteht ohne starke fluviale Erosion und ist zum Beispiel auf Kuba, Jamaika, in Indonesien und auf den Philippinen verbreitet. Turmkarst ist eine randtropisch-subtropische und tropische Form, die durch starke Erosion geprägt ist, oft durch wasserreiche Flüsse oder das Meer; Beispiele liegen in Südwestchina, Vietnam, Indonesien, Malaysia und Thailand. Glaziokarst oder Alpiner Karst bezeichnet Hochgebirgskarst, der während der Eiszeiten vergletschert war. Dort gibt es Karst-Hochplateaus, Karschwellen, Kartreppen, Schichttreppen und Rundhöcker; Quellen und Karseen fehlen oft, weil unterirdische Entwässerung rasch überwiegt.

Weitere Gesteine, Umwelt und Messung

Karst kann auch in Sulfatgesteinen wie Anhydrit und Gips sowie in Salzen entstehen. Solche Gesteine lösen sich schneller als Kalk. Im Südharz liegt eine bedeutende Sulfatkarstlandschaft, bei Sorbas in Spanien eine als Naturpark ausgewiesene Gipskarstfläche. Salzkarstflächen sind aus Israel und Spanien bekannt. In Tirol führten Karstbildungen wiederholt zu Bodeneinstürzen; deshalb wurden 2011 in bestimmten Gebieten vor Bauvorhaben Bodenprobebohrungen angeordnet.

Auch Sandsteine und Quarzite können bei geeigneten Klimabedingungen verkarsten. Diese SiO_{2}-Karstformen entwickeln sich langsam und sind oft weniger auffällig. Die Reaktion wird im Artikel so angegeben:

SiO_{2} + 2 H_{2}O → H_{4}SiO_{4}

Anders als Kalkstein ist Sandstein oft porös. Wasser kann daher im gesamten Volumen zwischen den Sandkörnern zirkulieren; das nennt der Artikel „Innere Verkarstung“. Dabei wird das Bindemittel zwischen den Körnern und teilweise auch Quarz selbst gelöst. Weil die Lösungsgeschwindigkeiten von Steinsalz über Gips und Kalkstein bis zu Sandstein und Quarzit jeweils in Zehnerpotenzen abnehmen, bleiben diese Prozesse für Beobachtende oft schwer erkennbar.

Der Kalkabtrag oder die Karstdenudation beschreibt, wie stark die Oberfläche pro Zeit abgesenkt wird, etwa in mm/Jahr, µm/Jahr oder cm/10.000 Jahre. Frühere Messungen bestimmten zum Beispiel die Tiefe von Karren oder Karrenfußnäpfen, besonders in ehemals vergletscherten Gebieten seit der Eisfreiheit vor etwa 10.000 Jahren. Häufig wird der Abtrag indirekt über den Karbonatgehalt von Karstwässern bestimmt. Für das Zugspitzplatt nennt der Artikel als gewichtetes Mittel 27,8 µm/Jahr und einen Gebietsaustrag durch Lösungsverwitterung von 592,7 t/Jahr.

Für Menschen sind Karstgebiete zugleich schwierig und wichtig. Wegen Wasserarmut und oft fehlender tiefgründiger Böden gehören viele außertropische Karstgebiete zur Subökumene. Landwirtschaft ist im mediterranen Karst vor allem auf fruchtbare Dolinenböden und Poljen beschränkt; traditionell waren Fernweidewirtschaft und Nomadismus wichtig. Die Wasserversorgung für Siedlungen ist oft schwierig: Man nutzte tiefe Brunnen, Dolinen, Regenwasser oder Zisternen. Gleichzeitig beziehen etwa 25 % der Weltbevölkerung ihr Trinkwasser aus Karst-Aquiferen, also unterirdischen wasserführenden Karstgesteinen.

Mikroklima, Pflanzen und Tiere

Karstlandschaften haben oft ein wärmeres Bioklima als Gebiete ohne Karbonatgestein. Gründe sind die dünne Bodenentwicklung, viel offenliegendes Gestein und fehlende oberflächliche Fließgewässer. Dadurch wirken viele Karstlandschaften wie Halbtrockenlandschaften. Gleichzeitig können in Dolinen und Uvalas extreme Kälteinseln entstehen. In klaren Nächten sammelt sich Kaltluft, weil die geschlossene Form den normalen Berg-Tal-Wind stört. In der Uvala des Grünlochs in Österreich wurde eine Minimaltemperatur von unter −52 °C gemessen; in Deutschland ist die Uvala des Funtensees mit −45,8 °C der Kältepol. Entscheidend ist dabei auch der sky view factor, also der Anteil des sichtbaren Himmels über einem Beobachtungspunkt.

Die Vegetation im Karst ist an flache, kalkreiche, basengesättigte Böden mit hohem pH-Wert, Trockenheit und starke Sonneneinstrahlung angepasst. Manche Pflanzen wachsen direkt auf Fels, was Lithophytie heißt, oder können starke Austrocknung überstehen, was Poikilohydrie heißt. Anpassungen sind zum Beispiel Zwiebeln und Rhizome als Überdauerungsorgane, reduzierte oder harte Blätter und Sukkulenz. In Karstregionen sind je nach Florengebiet besonders Lippenblütler, Schwertliliengewächse, Agavengewächse und Koniferen artenreich vertreten. In Mitteleuropa gilt fast ein Drittel aller Pflanzenarten als kalkliebend; dieses auffällige Muster wird im Artikel als „Calcareous riddle“ bezeichnet.

Zur Karstfauna gehören besonders Höhlentiere und Reptilien. Ein wichtiges Zentrum europäischer endemischer Herpetofauna liegt im Hochkarst der Südost-Dinariden Montenegros und Nord-Albaniens, dem „Adriatic Triangle“. 2007 wurde dort die Prokletije-Felseidechse Dinarolacerta montenegrina beschrieben; ihre Entwicklungslinie reicht laut Artikel mindestens 5 Millionen Jahre zurück. Im montenegrinisch-herzegowinischen Hochkarst werden außerdem 200 Pseudoskorpion-Arten angegeben. Bekannte Karstbewohner sind höhlenbewohnende Salamander, besonders der Grottenolm Proteus anguinus aus unterirdischen Flusssystemen der Pivka und Reka in Slowenien.