College van de maand: Pilaren van kalktuf in Mono Lake, Californië

Eind april nam ik deel aan de onlineversie van een groot congres van de Europese Unie voor Geowetenschappen, bestaande uit twee weken vol met interessante lezingen, discussies en workshops. Ik had de kans om mijn eigen werk met mijn vakgenoten te bespreken en werd daarnaast ook enorm geïnspireerd door het werk van anderen. Onder andere een sessie over geomorfologie in droge gebieden trok mijn aandacht. Een van de lezingen ging over kalktuf; een vorm van kalksteen die tot prachtige formaties uit kan groeien. Het leek me daarom een ideaal onderwerp om deze maand over te vertellen.

Kalktuf bestaat in vele verschillende vormen, meestal vormt het vrij amorfe massa’s in dikke pakketten, maar onder de juiste condities kunnen er prachtige vormen ontstaan. In de lezing van Abi Stone op het congres kwamen enkele mooie foto’s voorbij van kalktuf in de vorm van gegroepeerde pilaren.

Afb. 1. Pilaren van kalktuf in Mono Lake. Bron: aangepast van Richard E. Ellis, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
Kalktuf pilaren zijn onder andere bekend van het imposante Mono Lake (afb. 1). Dit meer ten oosten van het Yosemite National Park in Californië is meer dan 760.000 jaar oud en heeft geen natuurlijke afwatering. Het water heeft een zeer hoge pH-waarde van ~10, en is sterk alkalisch. Als gevolg van het warme en droge klimaat in het gebied vindt er daarnaast veel verdamping plaats, waardoor de zoutconcentratie van Mono Lake bijna drie keer zo hoog is als dat van zeewater.

De kalktuf ontstaat wanneer koud en calciumrijk zoetwater in contact komt met het zoute, alkalische water van Mono Lake. Opgelost calcium is afkomstig uit het gebied ten westen van Mono Lake dat grotendeels bestaat uit marmer: gemetamorfoseerde kalksteen dat bestaat uit nagenoeg puur calciumcarbonaat, Ca(CO3). Regenwater lost de kalk op wanneer het met het marmer in contact komt en stroomt vervolgens verder richting Mono Lake. Waar de rivieren het meer in stromen vind er een chemische reactie plaats tussen de opgeloste stoffen in de twee watermassa’s

Opgelost calciumcarbonaat kan niet als vrije ionen in het alkalische meer bestaan omdat het chemische evenwicht en de hoge pH-waarde van het meer dit niet toelaat. Het chemisch evenwicht van opgelost calciumcarbonaat is normaal gesproken via het volgende evenwicht gedefinieerd: Ca2+ + 2 HCO3- ⇄ Ca(CO3) + H2CO3. In het basische meer kan het zure HCO3- niet stabiel voorkomen, waardoor opgelost calcium direct neerslaat als kalktuf wanneer het in contact komt met het water in Mono Lake. Rondom de riviermondingen in het meer zijn hierdoor dikke pakketten kalktuf ontstaan. Afhankelijk van de waterstand in Mono Lake zijn deze pakketten in het verleden op verschillende hoogtes gevormd rond de oever van het meer. Wat echter nog veel imposanter is zijn de kalktuf pilaren die in andere delen van het meer ontstaan.

Rondom Mono Lake wordt en niet alleen calciumrijk zoetwater aangevoerd via de bovengrondse rivieren, maar ook via het grondwater. In de bodem van het meer zijn er enkele bronnen waar dit grondwater omhoogkomt. Kalkneerslag rondom de uitganspunten van het bronwater vormt kleine cirkels en over vele jaren bouwt er een holle pilaarvormige kalktuf op. Sommige van deze pilaren in Mono Lake zijn meer dan tien meter hoog. Als je naar het ruimtelijke patroon van de pilaren kijkt zie je dat deze een formatie van lijnen vormt (afb. 2). Dit komt doordat het bronwater omhoogkomt langs breukzones die in de bodem aanwezig zijn en een makkelijke watervoerende laag voor het bodemwater vormen.

Afb. 2. De watervoerende breuken in het gesteente onder Mono Lake zorgen ervoor dat de kalktuf pilaren langs rechte lijnen vormen in het zuidelijke deel van Mono Lake. Bron: Vezoy, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Het kalktuf waaruit de pilaren bestaan, zijn is erg poreus, het is een sponsachtig kalkgesteente dat hoofdzakelijk bestaat uit calciet en aragoniet. De meest recente vorm van kalktuf in Mono Lake is door het hoge alkalische gehalte van het meer poreuzer en lichter van kleur dan de oude kalktuf. In het verleden hebben wisselende pH-waardes ervoor gezorgd dat er ook kalktuf met een iets massievere structuur werd gevormd. Daarnaast is het voorkomen van algenmatten ook erg bepalend voor de structuur van de kalktuf. Niet alleen zorgt de groei van algen ervoor dat er CO2 uit het water onttrokken wordt wat de oplosbaarheid van calciumcarbonaat in het water verlaagd, ze zorgen er ook voor dat er een substraat is om het kalktuf op neer te slaan. Hierdoor hebben veel van de pilaren onregelmatige, bobbelige vormen. De algen die in Mono Lake voorkomen zijn enorm goed aangepast aan de uitzonderlijk zoute omstandigheden. Eigenlijk bestaat een groot deel van de algenmatten uit blauwalg, wat officieel een bacterie is, maar dat even terzijde. De algen vormen de basis voor een uniek ecosysteem en dienen als voedsel voor een enorme hoeveelheid pekelkreeftjes. Deze worden op hun beurt gegeten door vele vogelsoorten die afhankelijk zijn van het meer als rustplaats op weg tijdens hun migratie naar het zuiden, of het als nestplaats gebruiken om hun jongen op te voeden.

Aan de bijzondere kalktufformatie en het unieke ecosysteem in Mono Lake leek na millennia van groei bijna een einde te komen. Het meer viel in de jaren tachtig nagenoeg droog doordat de voedende rivieren via een aquaduct werden omgeleid naar Los Angeles om de stad van drinkwater te kunnen voorzien. Gelukkig lukte het een speciale commissie om via een rechtszaak tot een overeenkomst te komen en dit bijzondere gebied te beschermen. Uiteindelijk kwamen de drinkwatermaatschappij, visvereniging en commissie gezamenlijk tot een oplossing; er werd minder water van Mono Lake afgevoerd en geïnvesteerd in een waterzuivering in Los Angeles als alternatieve bron van drinkwater. Dit was een prachtig voorbeeld van hoe je via samenwerking op een duurzamere manier met de wereld om kan gaan.

Er vindt echter nog steeds drinkwaterwinning plaatst en het waterniveau in Mono Lake is lang niet zo hoog als het ooit was. Door de lage waterstand komen de kalktuf pilaren nu boven het water uit, wat aan de ene kant ervoor zorgt dat ze goed zichtbaar zijn en een prachtig landschap vormen, maar het nadeel is dat de pilaren nu niet meer verder groeien en onderhevig zijn aan erosie (afb. 3).

Afb. 3. Kalktuf pilaren die boven de waterspiegel uitsteken zijn onderhevig aan erosie. Bron: King of Hearts, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0.

Wil je meer lezen over bijzondere kalksteenformaties? Lees dan ook het College van de Maand over druipsteengrotten en kalkgordijnen.