Karstforschung am LH2

Etablierte Verkarstungsmodelle beschreiben die Lösung von Kalk- oder Dolomitgestein im Wesentlichen als eine Folge von im fließenden Wasser gelöstem CO₂. Mischungskorrosion und nichtlineare Lösungskinetiken können die Entstehung von größeren Hohlräumen gut erklären, basieren dabei auf dem Transport von CO₂ mit fließendem Wasser. Bislang wurde in der Karstliteratur die Aufnahme von CO₂ in ruhendem oder nur sehr langsam fließendem Wasser im Kontext von Verkarstungsmechanismen quasi nicht diskutiert. Dass auch frisches, stehendes Karstwasser (zum Beispiel nach einem größeren Niederschlagsereignis) relativ schnell durch dichtegetriebenes diffusiv-konvektives Einlösen signifikante Mengen an CO₂ aufnehmen kann, die zum Potential für weitere Gesteinskorrosion beitragen, konnte in Labor-, Feldstudien, und numerischen Simulationen inzwischen gezeigt werden (Class et al., 2020; Class et al., 2021; Class et al., 2023; Keim & Class, 2025). Dabei spielt die Dynamik von CO₂ in der Höhlenluft als treibende Kraft für den Einlösvorgang die entscheidende Rolle. Ein gutes Verständnis für die saisonale Produktion von CO₂, den Transport sowohl im Wasser als auch in der Gasphase sowie die Speicherung im Gestein und im Wasser ist daher von großer Bedeutung für die Bewertung und Quantifizierung des Einlösevorgangs in ruhendem Karstwasser.

Die Motivation für die laufenden Forschungsarbeiten entstammt Ideen und langjährigen Erfahrungen von Höhlenforschern des Laichinger Höhlen- und Heimatvereins und deren Umfeld. Hier wurde auch der Begriff "Nerochytische Speläogenese" als Bezeichnung für den Prozess geprägt, der auf die aufgrund der Dichte "eigenständige" Mobilität von CO₂ sowohl in Höhlenluft als auch im Wasser anspielt (Scherzer et al., 2017; Scherzer et al., 2020).

Die Schwäbische Alb ist geprägt vom sogenannten Grünen Karst. Eine Bodenschicht generiert CO2, die vadose Zone ist bis 200 m mächtig. Bekannt sind über 2.500 Höhlen. An den Rändern des Mittelgebirges entspringen Karstquellen aus Quellhöhlen. Die Verkarstung dauert bis heute an. Der Untergrund ist hauptsächlich ungebankter Massenkalk. Aus der Fluss- und Landschaftsgeschichte lässt sich die Verkarstungsgeschichte in groben Zügen ableiten.

Die Laichinger Tiefenhöhle ist seit 2021 Standort einer langfristig angelegten Messkampagne für CO2 in der Höhlenluft (Class et al., 2023), zwischenzeitlich wurde auch die Einlösung von CO2 in einer künstlichen Wassersäule experimentell beobachtet (Class et al., 2021). Seit 2025 wird zusätzlich zu CO2 auch Radon gemessen, um aus den unterschiedlichen Dynamiken beider Gase Rückschlüsse auf die Transport- und Speicherprozesse ziehen zu können.

Neben experimentellen Arbeiten im Labor (Class et al., 2020; Strauch et al., 2025), führen wir eine Langzeitmesskampagne in der Laichinger Tiefenhöhle durch (siehe oben). Eine wichtige Rolle spielen vor allem numerische Simulationen, aber auch Methoden des maschinellen Lernens. In aktuellen Arbeiten untersuchen wir die Einlösungsdynamiken von CO2 in Wasser (z.B. Keim & Class, 2025), quantifizieren auch die Auflösungskinetik von Kalkgestein abhängig von CO2-Konzentrationen im Wasser und implementieren dafür reaktive Transportmodelle (Weiss et al., 2025; Strauch et al., 2025).

• Helmholtz-Zentrum Potsdam
• Höhlen- und Heimatverein Laichingen e.V. 
• Sonderforschungsbereich 1313, Vision Topic "Calcite"
  
  

• EXC 2075: Coupled flow, transport, and geochemical processes in fractures/fissures with a focus on geothermal and karstic systems
• Experimentelle und numerische Untersuchungen zur dichtegetriebenen Einlösung von CO2 und damit verbundener Lösung von Karbonaten in Karstwasser
• SFB 1313, C04: Porenskalige und REV-skalige Ansätze zur Beschreibung von biologisch und chemisch induzierter Porenraumveränderung in porösen Medien
• EXC 2075, PN 1-5: Numerical simulations and process analysis of CO2 enrichment in the vadose zone and at the gas-water interface of karstic systems
• SFB 1313, CX6: GAS-REACT: GAS interchange and REACTive processes in coupled subsurface/atmosphere systems(HE 9610/CL 190))
   

• Scherzer, H.; Class, H.; Weishaupt, K.; Sauerborn, T.; Trötschler, O. (2017). Nerochytische Speläogenese: Konvektiver Vertikaltransport von gelöstem CO₂ – Ein Antrieb für Verkarstung in der phreatischen Zone im Bedeckten Karst. Laichinger Höhlenfreund, 52, 29–35.
• Scherzer, H.; Class, H.; Bürkle, P. (2020). Nerochytische Speläogenese - Versenkung von CO₂ aus der vadosen Zone in das Kastwasser der phreatischen Zone: Stand der Forschung 2020. Laichinger Höhlenfreund, 55, 3-20.
  Weitere Informationen zu dieser Publikation.
• Class H.; Weishaupt K.; Trötschler, O. (2020). Experimental and simulation study on validating a numerical model for CO₂ density-driven dissolution in water. Water, 12, 738
  https://doi.org/10.3390/w12030738
• Class, H., Bürkle, P., Sauerborn, T., Trötschler, O., Strauch, B., & Zimmer, M. (2021). On the role of density‐driven dissolution of CO₂ in phreatic karst systems. Water Resources Research. American Geophysical Union (AGU).
  https://doi.org/10.1029/2021wr030912
• Class, H., Keim, L., Schirmer, L., Strauch, B., Wendel, K., & Zimmer, M. (2023). Seasonal dynamics of gaseous CO₂ concentrations in a karst cave correspond with aqueos concentrations in a stagnant water column. Geosciences, 13 (2), 51.
  https://doi.org/10.3390/geosciences13020051 
• Keim, L., Joao, R., Class, H. (2024). CO₂ in Höhlenluft und an der Grenzfläche von Luft und Karstwasser – Messungen, Dateninterpretation, Modellierungskonzepte. Laichinger Höhlenfreund.
  Zur PDF der Publikation.
• Keim, L., & Class, H. (2025). Rayleigh Invariance Allows the Estimation of Effective CO₂ Fluxes Due To Convective Dissolution Into Water-Filled Fractures. Water Resources Research, 61, Article 2.
  https://doi.org/10.1029/2024WR037778
• Strauch, B., Zimmer, M., Wendel, K., Keim, L., Class, H. (2025). Measuring carbonate dissolution rates under well-controlled conditions for reactive CO₂-water flow in a large lab-scale karst fracture imitate. MethodsX. 2025 Mar 19;14:103271.
  https://doi.org/10.1016/j.mex.2025.103271
• Weiss, F. J., Keim, L., Wendel, K., Class, H. (2025). Implementation Pitfalls for Carbonate Mineral Dissolution -- a Technical Note. Pre-print submitted to Applied Geochemistry, available on arXiv.org.
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.05225
   

• Südwestpresse vom 25. Mai 2021
• Schwäbische Zeitung vom 8. Juni 2021
• SWR Baden Württemberg (Radiobeitrag vom 14. Juni 2021)
• Uni Stuttgart vom 27. Dezember 2021
• SimTech Magazin vom 23. Mai 2025