Depositionele materialen en eigenschappen

Er zijn drie grote categorieën sedimentair materiaal dat in grotten wordt aangetroffen: clastische sedimenten die door stromen worden meegevoerd en vanaf de oppervlakte worden geïnfiltreerd; blokken, platen en fragmenten van afbraak afkomstig van het plaatselijke vaste gesteente; en chemische sedimenten die door doorsijpelend water in de grot worden afgezet. De chemische sedimenten zijn het meest divers en zijn verantwoordelijk voor de decoratieve schoonheid van veel grotten.

De meest voorkomende van de secundaire chemische sedimenten is calciet, calciumcarbonaat. Er komt ook een minder voorkomende vorm van calciumcarbonaat voor, het mineraal aragoniet. Het tweede meest voorkomende grotmineraal is gips, calciumsulfaat dihydraat. Andere carbonaat-, sulfaat-, en oxide mineralen worden af en toe ook in grotten gevonden. Voor veel van deze mineralen moet de grot geassocieerd zijn met ertsafzettingen of met andere speciale geologische omgevingen. Om deze reden worden van de meer dan 200 soorten mineralen waarvan bekend is dat ze in grotten voorkomen, er slechts ongeveer 20 op grote schaal gevonden.

Deposito’s van grotmineralen komen in vele vormen voor, waarvan de vorm wordt bepaald door de vraag of ze werden afgezet door druipend, stromend of sijpelend water of in stilstaande plassen water. Gezamenlijk staan deze secundaire mineraalvormen bekend als speleothemen.

Water dat uit een voeg in het plafond van de grot komt, hangt een tijdje als een hangende druppel. Gedurende deze tijd wordt een kleine hoeveelheid calciumcarbonaat afgezet in een ring waar de druppel in contact is met het plafond. Dan valt de druppel, en een nieuwe druppel neemt zijn plaats in, waarbij ook een kleine ring van calciumcarbonaat wordt afgezet. Op deze manier ontstaat een ijspegelachtig speleothem, stalactiet genaamd. Stalactieten variëren in vorm van dunne stro-achtige elementen tot massieve hangers of draperie-achtige vormen. Stalactieten hebben een centraal kanaal dat het water van de voedingsvoeg naar de top van de stalactiet voert. Wanneer de druppels op de bodem van de grot vallen, wordt extra mineraal materiaal afgezet en worden stalagmieten opgebouwd. Stalagmieten nemen ook vele vormen aan, van slanke bezemsteel tot terp- en pagode-achtige vormen. Stalagmieten bestaan uit op elkaar gestapelde kappen of lagen en hebben geen centraal kanaal. Stalactieten kunnen zo groot worden dat zij hun eigen gewicht niet meer kunnen dragen; de gebroken fragmenten van grote stalactieten worden soms in grotten gevonden. Stalagmieten zijn niet zo beperkt en kunnen een hoogte van tientallen meters bereiken. Water dat langs richels en langs wanden naar beneden stroomt, laat platen calciet achter, die een massieve afzetting vormen die bekend staat als een vloeisteen.

De meeste afzettingen van vloeisteen bestaan uit calciet, hoewel af en toe ook andere mineralen aanwezig zijn. Het calciet is meestal grof kristallijn, dicht opeen gepakt, en gekleurd in verschillende tinten geelbruin, oranje en bruin. Een deel van het pigment is afkomstig van ijzeroxiden die door het kwelwater in de afzetting worden meegevoerd, maar de meest voorkomende kleurstof zijn humusstoffen afkomstig van de bovenliggende bodems. Humusstoffen zijn de organische producten van plantenverval, die ook verantwoordelijk zijn voor de bruine kleur van sommige bodems en voor de groenachtige kleur van sommige moeras- en meerwateren. Speleothemen van calciet kunnen zuiver wit zijn, maar er melkachtig uitzien door de vele kleine insluitsels van water binnen de structuur.

Het calciet in speleothemen is afkomstig van de bovenliggende kalksteen in de buurt van het grensvlak tussen bedrock en bodem. Regenwater dat door de bodem infiltreert, absorbeert kooldioxide uit de kooldioxiderijke bodem en vormt een verdunde oplossing van koolzuur. Wanneer dit zure water de bodembasis bereikt, reageert het met het calciet in het kalkgesteente en neemt het een deel daarvan op in oplossing. Het water vervolgt zijn neerwaartse weg door smalle voegen en breuken in de onverzadigde zone met weinig verdere chemische reactie. Wanneer het water uit het grotdak komt, gaat er kooldioxide verloren in de atmosfeer van de grot en een deel van het calciumcarbonaat wordt neergeslagen. Het infiltrerende water werkt als een calcietpomp, verwijdert het van de top van het gesteente en zet het weer af in de grot eronder.

Grotten bieden een zeer stabiele omgeving waar temperatuur en relatieve vochtigheid duizenden jaren constant kunnen blijven. De langzame groei van kristallen wordt niet onderbroken, en sommige speleothemen hebben vormen die worden bepaald door de krachten van de kristalgroei in plaats van door de beperkingen van druipend en stromend water. Speleothemen die bekend staan als helictieten lijken veel op stalactieten in die zin dat zij een centraal kanaal hebben en in lange buisvormen groeien. Zij draaien en kronkelen echter in alle richtingen en worden niet geleid door de zwaartekracht van hangende waterdruppels. Een andere soort speleothem, de anthodiet, is een uitstralende cluster van naaldachtige kristallen. Anthodieten bestaan meestal uit aragoniet, dat een andere habitus heeft (d.w.z. een andere vorm van de afzonderlijke kristalkorrels) dan de meer gebruikelijke variëteit van calciumcarbonaat, calciet. Gelaagde kraal- of koraalachtige vormen komen voor op de wanden van grotten, en complexe opstellingen van kristallen worden gevonden in grottenpoelen. Waterpoelen die verzadigd zijn met calciumcarbonaat hebben de opmerkelijke eigenschap zichzelf te omringen met randstenen dammen van neergeslagen calciet.

Gips en andere beter in water oplosbare sulfaat mineralen zoals epsomiet (magnesiumsulfaat heptahydraat) en mirabiliet (natriumsulfaat decahydraat) groeien uit kwelwater in droge grotten. Afzetting van de sulfaatmineralen is het gevolg van verdamping van de mineraalhoudende oplossingen. Deze mineralen komen voor als korsten en in de vorm van uitstralende, gebogen massa’s vezelige kristallen, bekend als gipsbloemen. Vanwege hun hogere oplosbaarheid komen sulfaatmineralen niet voor of worden vernietigd in vochtige of natte grotten.