Hydrotectonics of the Eisensteinhöhle

Die Eisensteinhöhle ist eine etwa 2 km lange Spalthöhle, deren Morphologie bedeutend von hydrothermalen Karstprozessen überprägt wurde. Sie wurde 1855 während Steinbrucharbeiten in den Fischauer Bergen am Westrand des Wiener Beckens angefahren. Während sich das Wiener Becken im Miozän entlang SW-NE streichender Blattverschiebungen öffnete, bilden SSW-NNE streichende Abschiebungen den Abbruch Nördlichen Kalkalpen zum Beckeninneren. Im tiefsten Abschnitt der Höhle, 73 m unterhalb des Eingangs liegt ein, meist mit Wasser gefüllter Quellsiphon mit auffällig schwankendem Wasserstand, der ab einem Niveau von -71,8 m in den nebenliegenden Raum abläuft. Insbesondere die Quelle weckte aufgrund der schwankenden Schüttungsrate und der mit ca. 15 +/- 0.5 °C, im Vergleich zu normalem Grundwasser, leicht erhöhten Temperatur immer wieder Interesse. Gerhard Winkler, ein Höhlenführer begann bereits 1968 seine Beobachtungen über die Quelle aufzuschreiben. Da kein offensichtlicher Zusammenhang der Schüttungsschwankungen zu Niederschlägen bestand baute er 1992 eine Messlatte ein um genauere und systematischere Messungen vornehmen zu können. Die 23 Jahre lange Messreihe wurde ergänzt durch Pegel- und Temperaturmessungen die von Oktober 2015 bis November 2017 mit einem automatischen Datenlogger (SEBA Dipper PT) durchgeführt wurden. Bei einem einfachen Pumpversuch, am 13.7.2016, konnte die Form des wassergefüllten Hohlraumes vermessen und dessen Volumen bestimmt werden. Während des Pumpversuchs konnte eine Schüttung von lediglich 4.5 l/h gemessen werden, frühere Messungen ergaben Werte bis zu 289 l/h. Während der 2 Jahre in denen automatische Messungen durchgeführt wurden, lag der Wasserstand relativ konstant bei 307,0 m ü.A. mit Ausnahme einiger Perioden in denen der Pegel fast den Überlauf erreichte. Diese Phasen dauerten je 3-4 Wochen an. Die Wassertemperatur stieg parallel dazu mit einer Verzögerung von einigen Tagen. Die Korrelation der hoch-aufgelösten Pegelmessungen mit Niederschlagsmessungen der umliegenden Wetterstationen zeigt einen Zusammenhang zwischen der Schüttung und starken Einzelniederschlägen, die Langzeitbeobachtungen deuten jedoch auch auf einen Zusammenhang mit der jährlichen Niederschlagssumme hin. Durch die Langzeitbeobachtungen konnte auch eine klare Verbindung der Quelle mit dem Grundwasser im Wiener Becken nachgewiesen werden, wo an einem Pegel in Bad Fischau Schwankungen mit einer Verzögerung von 8 Wochen aufgezeichnet werden. Erste Hinweise auf eine Beeinflussung der Quellschüttung durch tektonische Prozesse konnten in Juli und August 2017 gesammelt werden, als ein plötzliches Absinken des Pegels in der Eisensteinhöhle, gefolgt von einem Anstieg auf das vorherige Niveau zeitgleich mit mehreren schwachen Erdbeben in der Nähe, gemessen wurde. Die gesammelten Daten legen nahe, dass die Thermalquelle in der Eisensteinhöhle sowohl durch Niederschlag als auch durch aktive Tektonik beeinflusst wird. Durch die geringe Anzahl an Erdbeben bleibt dieser Zusammenhang jedoch statistisch nicht aussagekräftig belegt.The cave Eisensteinhöhle is a 2-km long crevice cave that is significantly overprinted by hydrothermal karst processes. It was opened during quarrying in the Fischau Hills, on the western margin of the Vienna Basin. This pull-apart basin cuts the eastern foothills of the Alps and is formed by a major NE-SW striking, sinistral transform fault. The western margin consists of NNE-SSW striking normal faults that create paths for thermal water to rise from the central basin. The deepest part of the cave, 73 m below the entrance, hosts a pond with 15.5 +/- 0.4 °C warm water, that sometimes acts as a spring. The cave and in particular the spring have attracted attention since their discovery in 1855. The water level and temperature fluctuate and at a certain level, water visibly discharges into a nearby narrow fissure. A record of sporadically taken data on water level and discharge exists from the late 1980s on. As there was no obvious connection to precipitation events or periods, it was impossible to determine how the spring is connected to an aquifer and where the water comes from. Gerhard Winkler, a local cave guide, began systematic observations with the installation of a stick gauge in 1992 and took measurements whenever he visited the cave. In October 2015, a data logger (SEBA Dipper PT) was installed for automated measurements of the water level and temperature of the spring. A pumping test, conducted on 13/7/2016, showed the geometry and the volume of the spring of about 2.8 m³ and that it is fed by a very small inlet out of the sandy bottom. At the time of the pumping test, the discharge was only 4.5 l/h but during previous overflow events, discharges of up to 289 l/h were recorded. Water temperature and hydrochemistry hint towards a mixture of an old thermal component and a young meteoric component. Within the first two years of the continuous monitoring, the water level was almost stable with few periods of high level (almost at overflow) that lasted for about 3 to 4 weeks each. The water temperature increased during most water high stands and is positively correlated with the water level. Correlation of the high-resolution data on water level and temperature fluctuations with precipitation measurements at the nearest meteorological stations show a relation of water level to certain rainfall events and the sporadically taken long time records show a correlation with annual precipitation sums. Long-term observations also indicate a connection to groundwater levels in the Vienna Basin with a delay of water level changes of about 8 weeks in Bad Fischau. In July 2017, the water level dropped suddenly and then recovered simultaneously to several weak earthquakes in the vicinity. The collected data suggests that the spring in Eisensteinhöhle is influenced by both, precipitation and tectonics, but a lack of tectonic events leaves this relation unconfirmed