Original paper

Solution dynamics at the rock/snow interface during the ablation period in the subnival karst of the Wetterstein Mountains (Northern Calcareous Alps, Germany)

Küfmann, Carola

Abstract

This study focuses on limestone solution under snow (mean maximum depth 450 cm) in the alpine tundra, subnival zone (2,350 to 2,600 m) of the Wetterstein Mountains (47° 24 N; 11° 7 E). The analysis of melt water discharge from two lysimeters (bare and debris-filled) at the rock/snow interface concentrates on carbon dioxide, which defines water acidity. Diurnal records reveal low values of CO and the synchronization of these amounts with runoff until the stored CO is depleted. Hourly data indicate that cold interface waters have only one quarter of the dissolution capacity of fresh superficial snow (mean 4.5 mg · l CO). Mostly homothermal cold conditions at the base justify the supply of atmospheric CO via water percolation downwards from the top. Gas detector measurements, showing a decrease of CO with depth caused by increasing snow density, illuminate the control of snow properties on CO diffusion. Minimum amounts (0.005 vol.-%) at 300 cm depth, quadrupling near the surface, indicate an insufficient supply of CO, causing low mean dissolution rates of debris. This almost closed system changes in July, with a strong reduction in snow cover. At that time, higher CO values demonstrate enhanced atmospheric interaction, accelerating solution until a maximum value of 28 mg · l CaCO. Seasonal solution intensity due to CO-triggered water acidity interacting with high melt water budgets explains the subnival karst.

Kurzfassung

Die vorliegende Untersuchung in der subnivalen Höhenstufe (2.350 m bis 2.600 m) des Wettersteingebirges (47° 24 N; 11° 7 E; Nördliche Kalkalpen, Deutschland) konzentriert sich auf die Kalklösungsprozesse unter Schnee (mittlere maximale Schneehöhe 450 cm). Erstmals werden Schmelzwässer aus zwei Lysimeterwannen (mit und ohne Schutt gefüllt) direkt an der Reaktionsfläche (Interface) zwischen Gesteinssubstrat und Schneedecke hinsichtlich ihrer Lösungsfähigkeit analysiert. Dabei steht der CO2-Gehalt im Fokus, der nach Corbel (1959) die Lösungsaggressivität kalter Wässer steuert. Tageszeitlich treten geringe CO2 Gehalte in den Schmelzwässern auf. Sie synchronisieren sich solange mit den Abflussmengen bis das in der Schneedecke angereicherte CO2 aufgebraucht ist. Ereignisbezogene, stündliche Messungen zeigen, dass die Interface-Wässer sogar nur ein Viertel der Lösungsfähigkeit von frisch gefallenem Neuschnee (Mittel: 4,5 mg · l?1 CO2) bei relativ konstanten Temperaturverhältnissen an der Basis aufweisen. Die erneute Nachlieferung von atmosphärischem CO2 erfolgt durch Perkolations- und Diffusionsvorgänge innerhalb der Schneedecke, gesteuert von physikalischen Schneedeckenparametern. Volumetrisch (Gasspürgerät) bestätigt sich die Abnahme der CO2-Konzentrationen mit zunehmender Schneedichte. Damit zeigen auch die Minima von 0,005 Vol.-% (Schneetiefe 300 cm) im Vergleich zum vierfachen Wert an der Schneeoberfläche, unzureichende CO2 Vorräte, die die niedrigen, mittleren Kalklösungsraten von Schutt an der Interface erklären. Dieses fast geschlossene Lösungssystem verändert sich aber im Juli mit zunehmender Schneedeckenreduzierung, da durch die verstärkte atmosphärische Interaktion auch die CO2 Gehalte steigen. Entsprechend beschleunigt sich während der Ablationsphase die Kalklösung im Schutt und erreicht unter geringmächtigen Schneedecken dann Maxima von 28 mg ? l?1 CaCO3. Dieses jahreszeitlich vom CO2-Verhalten gesteuerte Lösungssystem verstärkt sich in seiner Intensität durch die hohen Schmelzwassermengen und erklärt die chemische Verwitte- rung und Karstbildung in der subnivalen Höhenstufe.

Résumé

Cette investigation traite de la dynamique et des processus chimiques spéciaux le long de l'interface calcaire avec la base de neige (moyenne profondeur maximale de neige 450 cm) en haute montagne, toundra alpine, zone subnivale (2.350 m á 2.600 m) de Wettersteingebirge (47° 24? N; 11° 7? E, Allemagne). C'est pour la première fois que l'agressivité des eaux de la fonte de neiges (suivant Corbel 1959), est décomposée directement le long de l'interface avec deux réservoirs collecteurs, marchant comme un lysimètre (l'un sans et l'autre avec talus d'éboulis). L'enregistrement diurnal montre les quantités basses de CO2 dans les eaux qui s'adaptent aux écoulements d'eau en attentant que le CO2 enrichi dans la couche de neige soit dépensé. Les mesures horaires montrent que le CO2 des eaux d'interface est voire même un quart de l'agressivité de la neige fraîche superficielle (moyen: 4,5 mg · l?1 CO2), en cas de température constante basse près de l'interface. L'envoi supplémentaire avec CO2 atmosphérique marche par les processus de la percolation et la diffusion dans la couche de neige, contrôlées par les paramètres physicochimiques de la neige. Les mesures volumétriques confirment la réduction du CO2 avec l'augmentation de la densité de la neige. Ainsi les valeurs minimales à une profondeur de 300 cm (0,005 vol.-%) montrent, par rapport à quatre fois la valeur à la surface de la neige, un manque de CO2, en déclarent des faibles quantités de la dissolution calcaire le long de l'interface. Ce système quasi fermé, change en juillet quand la couche de neige réduit fortement et l'interaction avec l'atmosphère augment la diffusion de CO2. En conséquence, la dissolution calcaire du talus d'éboulis augment aussi jusqu'à ce que le maximum de 28 mg · l?1 CaCO3. En résumé, les quantités de CO2 contrôlées par le développement saisonnier de la couche de neige, causent l'agressivité des eaux d'interface. Aussi, l'intensité de la dissolution calcaire et la genèse karstique subnivale sont renforcées par des grandes quantités des eaux de fonte.

Keywords

alpine tundracarbon dioxidelimestone solution under snowsubnival karst