Hydrogeology of the deepest underwater cave in the world: Hranice Abyss, Czechia

Abstract

Little is known about water mixing in deep underwater cave shafts of hypogene karst. The Hranice Abyss (HA) in Czechia is currently the deepest underwater cave in the world. It shares a thermal and CO₂-rich water source with an adjacent spa. Based on chemical and isotope composition, water in the HA is a mixture of shallow and thermal groundwaters. The shallow local groundwater is distinctly different from the adjacent Bečva River water in its elemental chemistry and sulfate δ³⁴S values. The thermal water is mixed with 5–10% of modern water, based on tritium content and chlorofluorocarbons. Vertical profiling and deep sampling in the HA showed distinct changes with depth in temperature and TDS. Density-driven flow controls the mixing. In winter, the shallow water of the open HA lake is efficiently cooled; the denser surface water sinks to greater depths, which mixes the water column in the HA. During the summer the shallow water stagnates at the depth of 0–15 m. Periods of stagnation and of accelerated water flow and mixing in the HA perfectly fit with the periodic occurrence of CO₂ evasion in the lake and the overall characteristics of the microbial communities, which showed the absence of any functional stratification. Ferric oxyhydroxide precipitation is the major cause for turbidity in the HA. Elevation-specific hydraulic responses of the HA groundwater, caused by the adjacent river’s level pulses, enabled a determination of the points along the river course at which the river is connected to groundwater by karst conduits.

Résumé

On sait peu de chose sur le mélange d’eau dans puits profonds de cavité noyée du karst hypogénique. L’Abysse d’Hranice (AH) en Tchéquie est actuellement la cavité en milieu noyé la plus profonde eau monde. Il partage une source d’eau thermale et riche en CO₂ avec des bains thermaux adjacents. Sur la base de la composition chimique et isotopique, l’eau dans HA est un mélange d’eaux souterraines peu profondes et thermales. Les eaux souterraines locales peu profondes sont nettement différentes de l’eau de la rivière adjacente Bečva dans leurs valeurs en chimie élémentaire et en δ³⁴S. L’eau thermale est un mélange avec 5–10% d’eau récente, à partir des teneurs en tritiums et de chlorofluorocarbones. Des profils verticaux et des échantillonnages en profondeur dans l’AH ont montré des variations distinctes avec la profondeur de la température et des solides dissous totaux. L’écoulement piloté par la densité contrôle le mélange. En hiver, l’eau peu profonde du lac ouvert de l’AH est refroidie efficacement; l’eau de surface plus dense plonge vers les plus grandes profondeurs, ce qui a pour effet de mélanger la colonne d’eau dans l’AH. Au cours de l’été, l’eau peu profonde stagne à une profondeur de 0 à 15m. Les périodes de stagnation et d’écoulement d’eau accéléré et le mélange dans l’AH sont parfaitement corrélées avec l’occurrence périodique d’émergence de CO₂ dans le lac et les caractéristiques générales des communautés microbiennes, qui ont montré l’absence de toute stratification fonctionnelle. La précipitation de l’oxyhydroxyde ferrique est la cause principale de la turbidité dans l’AH. Les réponses hydrauliques spécifiques à l’élévation des eaux souterraines de l’AH, causées par les impulsions du niveau de la rivière adjacente, ont permis de déterminer les points le long du cours d’eau où la rivière est connectée à l’eau souterraine par des conduits karstiques.

Resumen

Poco se sabe sobre la mezcla de agua en los pozos profundos de las cuevas submarinas del karst hipógeno. El Hranice Abyss (HA) en la República Checa es actualmente la cueva submarina más profunda del mundo. Comparte una fuente de agua térmica y rica en CO₂ con un balneario adyacente. Basado en la composición química e isotópica, el agua en la HA es una mezcla de aguas subterráneas poco profundas y térmicas. El agua subterránea local poco profunda es claramente diferente del agua adyacente del Bečva River en su química elemental y en los valores de sulfato δ³⁴S. El agua termal se mezcla con un 5–10% de agua moderna, de acuerdo con los datos de tritio y clorofluorocarbonos. La elaboración de perfiles verticales y el muestreo profundo en la HA mostraron distintos cambios con la profundidad de la temperatura y el TDS. El flujo por densidad controla la mezcla. En invierno, las aguas poco profundas del lago HA se enfrían eficientemente; las aguas superficiales más densas se hunden a mayores profundidades, lo que mezcla la columna de agua en la HA. Durante el verano, las aguas poco profundas se estancan a una profundidad de 0–15 m. Los períodos de estancamiento y de flujo de agua acelerado y la mezcla en la HA encajan perfectamente con la ocurrencia periódica de evasión de CO₂ en el lago y con las características generales de las comunidades microbianas, que mostraron la ausencia de estratificación funcional. La precipitación de oxhidróxido férrico es la principal causa de turbidez en la HA. Las respuestas hidráulicas específicas de elevación de las aguas subterráneas de la HA, causadas por los pulsos de nivel del río adyacente, permitieron determinar los puntos a lo largo del curso del río en los que el río está conectado con el agua subterránea por conductos cársticos.

摘要

人们对低温喀斯特的深部水下洞穴中水混合作用了解很少。捷克的赫拉尼采深渊(HA)是目前世界上最深的水下洞穴。它与相邻的水疗中心是一个热源和富含二氧化碳的水源。根据化学和同位素组成,HA中的水是由浅层地下水和热水的混合而成。浅层本地地下水与其相邻的Bečva河水元素的化学性质和硫酸盐δ³⁴S值明显不同。根据氚和CFC同位素,热水与5–10%的现代水混合。HA中垂直剖面和深度采样表明温度和TDS随深度呈现明显变化。密度驱动流控制了混合作用。在冬季,开放式HA湖的浅水被有效冷却;密度大的地表水下沉到更深部,由此混合了HA中的水柱。在夏季,浅水停留在0–15 m深度。HA中停滞和加速水流与混合的时期与湖中CO₂逃逸的周期性以及微生物群落总体特征完全一致,这表明没有任何功能性分层。羟基氧化铁的沉淀是HA中水浑浊的主要原因。由邻近河流水位脉冲引起的HA地下水特定高程的水力响应可以确定岩溶管道与地下水交互的河道的点位。

Abstrakt

Charakter proudění podzemní vody v hlubokých zatopených jeskynních prostorách hypogenního krasu představuje málo prozkoumanou problematiku. Hranická propast (HA) v České republice je v současné době nejhlubší zatopenou propastí na světě. V propasti se vyskytují přítoky termální minerální vody bohaté na CO_2, která je v přilehlém okolí lázeňsky využívána. Analýzy chemického a izotopového složení prokázaly, že voda v Hranické propasti je směsí méně mineralizované chladnější podzemní vody z mělkého zdroje a termální minerální vody hlubšího původu. Podzemní voda z mělkého zdroje se svým chemickým složením a hodnotami δ³⁴S výrazně odlišuje od vody nedaleké řeky Bečvy. Na základě analýzy aktivity tritia a obsahu CFC má termální voda příměs 5–10 % moderní vody. Vertikální profilování a odběry hlubinných vzorků vody v Hranické propasti ukázaly výrazné změny teploty a obsahu rozpuštěných látek s hloubkou. Míšení a proudění vody v propasti je řízeno hustotním gradientem. V zimním období se voda Jezírka v Hranické propasti ochlazuje. Chladnější voda o vyšší hustotě klesá od hladiny do větších hloubek, což způsobuje míchání vody ve vodním sloupci propasti. V létě dochází k stagnaci vody v hloubkovém rozpětí 0−15 m pod hladinou. Střídání období stagnace a zvýšeného proudění vody v Hranické propasti koresponduje s obdobími výskytu evaze CO₂ při hladině Jezírka. Navržené schéma proudění je v souladu s charakterem mikrobiálních komunit, které vykazují absenci jakékoliv funkční stratifikace. Srážení Fe³⁺ se jeví jako hlavní příčina vzniku zákalu ve vodě Hranické propasti. Sledování změn nadmořské výšky hladiny vody v Hranické propasti při oscilaci hladiny řeky Bečvy umožnilo stanovení míst podél toku řeky, kde dochází k hydraulické komunikaci řeky s podzemní vodou skrze krasové kanály.

Resumo

Pouco é conhecido sobre a mistura de águas em condutos profundos de cavernas submersas em carste hipogênico. A caverna Hranice Abyss (HA) na República Tcheca é atualmente a mais profunda caverna no mundo. Esta compartilha águas térmicas rica em CO₂ com um spa adjacente. Baseado na composição química e isotópica, a água na HA é uma mistura de água subterrânea rasa e térmica. A água subterrânea local é distintamente diferente das águas do Rio Bečva adjacente nos elementos químicos e valores de sulfato δ³⁴S. A água térmica é misturada com 5–10% de águas modernas, baseado no conteúdo de trítio e clorofluorocarbonos. Perfilagem vertical e amostragem profunda na HA mostrou distinta mudanças com a profundida e em temperatura e sólidos totais dissolvidos. O fluxo por densidade controla a mistura. No inverno, a água rasa do lago aberto da HA é eficientemente resfriada; a água superficial mais densa afunda para maiores profundidades misturando a coluna de água da HA. No verão a água rasa estagna nas profundidades de 0–15 m. Os períodos de estagnação e de acelerado fluxo de água e mistura na HA perfeitamente se encaixa com a periódica ocorrência de emissão de CO₂ do lago e das características gerais da comunidade microbiológica, que mostra abstenção de qualquer função de estratificação. Precipitação de oxihidróxidos de ferro é a maior causa de turbidez na HA. A resposta da carga hidráulica das águas subterrâneas na HA, por conta dos pulsos dos níveis dos rios adjacentes, permite a determinação dos pontos de conexão entre o rio e as águas subterrâneas nos condutos cársticos.