Draft (nie do rozpowszechniania)

Transkrypt

1 Draft (nie do rozpowszechniania) PROWINCJA HYDROGEOLOGICZNA WYśYNNA; MASYWY MASYW KARPACKI 1. Podstawa regionalizacji wg Kleczkowskiego: W obrębie masywu wyróŝnia się, w nawiązaniu do budowy geologicznej: Część wewnętrzną obejmującą orogen tatrzański, nieckę podhalańską i orogen pieniński. Część zewnętrzną obejmującą karpaty fliszowe. 2.Typowe cechy budowy masywu karpackiego W części wewnętrznej MK, typowe cechy budowy charakteryzuje przekrój przez złoŝe wód termalnych w niecce podhalańskiej. Zbiorniki wód podziemnych w obszarze Tatr występują w południowej części w granitach i skałach metamorficznych i posiadają charakter szczelinowy. W północnej części Tatr dominują węglanowe skały mezozoiku tworzące zbiorniki wód podziemnych o charakterze szczelinowo-krasowym. W niecce podhalańskiej zasadnicze znaczenie hydrogeologiczne posiadają warstwy wodonośne o charakterze szczelinowo-krasowym związane ze skałami węglanowymi triasu oraz trzeciorzędu (eocen). Wodonośność tych skał sięga do znacznych głębokości rzędu 3000m gdzie są eksploatowane występujące w nich wody termalne. Występujące powyŝej utwory fliszu podhalańskiego stanowią generalnie ekran izolujący. W przypowierzchniowej około 100m strefie flisz podhalański tworzy lokalne zbiorniki o charakterze szczelinowoporowym. Ze względu na malejącą z głębokością przepuszczalnością szczelin znaczenie hydrogeologiczne posiada zazwyczaj tylko przypowierzchniowa strefa do około 30-40m miąŝszości Orogen pieniński na północy traktowany jest generalnie jako ekran ograniczający krąŝenie wód w głównych warstwach wodonośnych niecki podhalańskiej. Dolina kopalna QK Nowy Targ występuje w zapadlisku śródgórskim wypełnionym osadami neogenu i czwartorzędu. Wodonośne są osady czwartorzędowe fluwioglacjalne i aluwialne o miąŝszości od kilku do kilkunastu metrów. Najlepsze warunki panują w obrębie pogrzebanych rynien wypełnionych przemytymi otoczakami. W części zewnętrznej MK jest zbudowany z jednolitej pod względem litologicznym fliszowej serii skał klastycznych, tzn piaskowców łupków i mułowców. Ze względu na bardzo skomplikowaną tektonikę Karpat skały te tworzą dogodne warunki do przepływu wody szczelinami. Wodonośność skał jest związana prawie wyłącznie z ich szczelinowatością. 3. Warunki zasilania przepływu i drenaŝu. W części wewnętrznej MK w utworach podfliszowych eocenu węglanowego i utworach mezozoicznych serii tatrzańskich następuje dość Ŝywa wymiana wód podziemnych. Obszarem zasilania wód zwykłych i termalnych niecki podhalańskiej są wychodnie mezozoicznych serii tatrzańskich oraz węglanowych utworów eocenu w obszarze na południe od granicy zasięgu utworów fliszu podhalańskiego.główna masa wód podziemnych (około 90%) infiltrujących w obszarach zasilania ulega drenaŝowi przez źródła i cieki powierzchniowe w pobliŝu granicy z pokrywą utworów fliszowych. Pozostałe wody podziemne płyną dalej ku północy w utworach podfliszowych, wachlarzowato się rozpływając ku zachodowi i wschodowi do granic Polski i dalej na Słowację. Szybkości przepływu wód 1

2 podziemnych na skutek tego maleją w miarę posuwania się ku północy aŝ do granicy z pienińskim pasem skałkowym. Przypuszczalnie, szybkości przepływu wód są rzędu kilkudziesięciu m/rok w części południowej niecki podhalańskiej po kilka metrów na rok w części północnej przy Pieninach. Odpowiada to ruchowi średnio szybkiemu przechodzacemu do bardzo wolnego wg klasyfikacji Kleczkowskiego et al. (1990). W części zewnętrznej MK podstawowym źródłem zasilania wód podziemnych jest infiltracja opadów atmosferycznych. Strefy zasilania są zazwyczaj związane z obszarami wyniesionymi morfologicznie (obszary wododziałowe). Schemat krąŝenia dla obszaru karpat fliszowych pokazany na rys.4 ilustruje warunki zasilania, przepływu i drenaŝu. O przepływie wód decyduje głównie szczelinowatość skał (rys.2). Porowatość piaskowców fliszowych jest zazwyczaj niewielka od około 2 do 10%, tylko sporadycznie więcej. Odpływ podziemny skierowany jest do regionalnych stref drenaŝu, którymi są główne doliny rzeczne. Ponad 90% odpływu odbywa się płytką kilkudziesięciometrową strefą aktywnej wymiany wód. KrąŜenie głębsze, mimo, Ŝe mniej intensywne moŝe sięgać kilkusetmetrowych głębokości, a wody tego systemu są zazwyczaj wodami mineralnymi. Wody te wracając z głębi w strefach drenaŝu przebijają się przez wody słodkie (rys.5) tworząc źródła wód mineralnych. W Karpatach dodatkowym elementem jest takŝe występowanie na znacznych obszarach wód nasyconych dwutlenkiem węgla (szczaw). Genezy dwutlenku węgla upatruje się aktualnie w metamorficznych przeobraŝeniach skał osadowych w głębokich zapadliskach pod Karpatami (rys.3). Średnie rzeczywiste szybkości przepływu wód podziemnych nawet w strefie aktywnej wymiany są zazwyczaj niewielkie poniŝej 10 m/rok (ruch bardzo wolny) i rzędu m/rok (ruch wolny). Wymiana wody we wspólczesnym obiegu klimatycznym trwa więc zazwyczaj dziesiątki, ale takŝe setki, tysiące, a nawet dziesiątki tysięcy lat. Wymiana wód zawartych w utworach fliszowych zachodząca w czasie geologicznym, w ramach obiegu litogenicznego jest bardzo złoŝona i głębokie wody mają zazwyczaj charakter poligenetyczny. 3.Główne zbiorniki wód podziemnych (GZWP) i ich ochrona. W części wewnętrznej MK wydzielono, według kryteriów podstawowych, 2 zbiorniki: Zakopane i Nowy Targ. GZWP441 zasilany jest w tym samym obszarze co głębiej występujące wody termalne niecki podhalańskiej. Wynika stąd konieczność racjonalnej eksploatacji obu zbiorników. Aktualny stan w którym wody geotermalne eksploatowane są w systemie zamkniętym (po odzyskaniu ciepła wody są zatłaczane z powrotem do złoŝa) sprawia, Ŝe nie ma konfliktu między dwoma sposobami wykorzystania wód. Wydajności otworów są bardzo zróŝnicowane od 1m 3 /h przy kilkudziesięciometrowej depresji aŝ do 273 m 3 /h przy samowypływie. Otwory hydrogeologiczne sięgają 800m. PoniŜej występują wody termalne. Zasoby dyspozycyjne GZWP441 szacuje się na 9600 m 3 /d, co odpowiada niskiemu modułowi zasobów dyspozycyjnych 0.77 l/s/km 2. GZWP440-dolina kopalna QK posiada zasoby dyspozycyjne m 3 /d, a ich moduł wynosi 3.55 l/s/km 2. Dominują wydalności pojedyńczej studni od 10 do 20 m 3 /h, chociaŝ spotykane są do 70 m 3 /h. Jest to zbiornik, który naleŝy traktować jako podstawowe źródło zaopatrzenia w wodę tego obszaru. W części zewnętrznej MK wydzielono, opierając się na kryteriach indywidualnych dwa typy zbiorników (rys.1): 2

3 nałoŝone zbiorniki czwartorzędowe dolin i kotlin rzek karpackich kwalifikowane jako doliny (ośrodek porowy) zbiorniki fliszowe ( w obrębie skał fliszowych) o względnie lepszych warunkach hydrogeologicznych w stosunku do obszarów otaczających (ośrodek szczelinowo-porowy) Dolinne zbiorniki czwartorzędowe wydzielono w liczbie 12. Są to GZWP 347, 430, , 437, 440, i 448, o powierzchniach od 22 do 200 km 2 i niewielkiej miąŝszości (6-10m). Mimo niewielkiej miąŝszości zbiorniki dolinne stanowią swego rodzaju dreny zbierające wodę z sąsiednich zboczy. Zasoby dyspozycyjne 7 do 37 tys. m 3 /d są duŝo mniejsze niŝ dla zbiorników czwartorzędowych w innych regionach, ale wobec braku bardziej zasobnych zbiorowisk wód podziemnych warto je wyróŝnić jako GZWP. Szczególnie istotne i często ujmowane są źródłowe odcinki rzek. Zbiorniki w ośrodku fliszowym o strefie wodonośnej rzędu m wydzielono w liczbie 7, a w tym: w piaskowcach godulskich (Godula) 2: 348 i 447; w piaskowcach magurskich (Magura) 3: 438, 439, 445 w piaskowcach istebniańskich (Istebna) 1: 436 w piaskowcach krośnieńskich (Krosno) 1: 431 Zasoby zbiorników są niewielkie od 3.5 tys. do 25 tys. m 3 /d, a moduły zasobowe od 0.24 do 0.59 l/s/km 2. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe jest to częściowo wynikiem ostroŝności dokumentatorów, arbitralnie obniŝających zasoby ze względu na duŝą zmienność odpływu podziemnego. Zasoby odnawialne szacowane na podstawie rozdzielenia hydrogramu rzek są o rząd wielkości wyŝsze. Problem zasobów dyspozycyjnych Masywu Karpackiego wymaga jeszcze dalszych badań. Warunki ochrony GZWP są zróŝnicowane. Brak w obszarze masywu znaczących ognisk zanieczyszczeń, (rolnictwo w głównej mierze naturalne, nisko towarowe, głównie hodowla) nie stanowią istotnego zagroŝenia dla jakości wód zbiorników fliszowych. Zbiorniki fliszowe są często pokryte obszarami leśnymi i równieŝ często są obszarami chronionymi przez przepisy z zakresu ochrony przyrody (parki narodowe, obszary chronionego krajobrazu itp.) Stąd większość zbiorników fliszowych nie ma zaprojektowanych obszarów ochronnych. Bardziej zagroŝone są natomiast zbiorniki dolin rzecznych. Odkryte i połoŝone najczęściej w obszarach zabudowanych i zagospodarowanych rolniczo. Dla tych zbiorników zaprojektowano zarówno obszary ochronne typu ONO jak i OWO. Specyficzną sytuacją wymagającą specjalnej troski, jest fakt współwystępowania wód słodkich i mineralnych, często o wysokich walorach leczniczych. Dla tego typu obszarów (np. rejon występowania szczaw od Szczawnicy po Krynicę i Wysową, rejony Rabki, Szczawy, Polańczyka) ustanowiono obszary ochronne specjalne gdzie konieczne jest racjonalne wykorzystanie i ochrona zarówno wód słodkich jak i mineralnych. 4.Parametry hydrogeologiczne ośrodka wodonośnego: W części wewnętrznej MK GZWP441 jest ośrodkiem o charakterze głównie szczelinowo-krasowym. Jego obszary zasilania w obrębie Tatr wskazują na wysokie przewodności ośrodka skał węglanowych wieku mezozoicznego, w którym rozwiniętych jest szereg wielkich systemów jaskiń i istnieją wywierzyska krasowe o największych wydajnościach w Polsce (np.lodowe źródło) osiągających nawet 2 do 3 m 3 /s. RównieŜ pomiary znacznikowe w systemach krasowych wskazują na ich duŝą przepustowość. Przewodność warstwy wodonośnej maleje w obszarze niecki podhalańskiej generalnie wraz z 3

4 głębokością, chociaŝ w strefie ujmowania wód geotermalnych w Białym Dunajcu, przy głębokościach blisko 3000 m, przewodność głównej warstwy wodonośnej jest rzędu kilkudziesięciu m 2 /d (przewodność średnia wg Krasnego). Dzięki ciśnieniu artezyjskiemu rzędu 200 m nad teren, pozwoliło to na uzyskanie największego samowypływu wód w Polsce (ponad 500 m 3 /h). W obrębie GZWP 441 w najlepiej zbadanym otworze Zakopane2 przewodność wyniosła około 80 m 2 /d, wspólczynnik filtracji k=10-5 m/s, a zasobność wodna S= W części zewnętrznej MK jak podano juŝ wyŝej wodonośność skał fliszowych jest związana z ich szczelinowatością. Porowatość jest zazwyczaj poniŝej 10%, co przy małych rozmiarach porów i znacznym ich wypełnieniu spoiwem powoduje, Ŝe przepływ nimi jest utrudniony. Szczelinowatość skał fliszowych jest średnio na poziomie 1 do 2%, rzadziej do rzędu 7% co przy występujących rozwarciach szczelin daje współczynniki filtracji rzędu 10-7 do 10 x10-5 m/s. Sporadycznie 10-4 m/s. Przepuszczalność skał maleje eksponencjalnie wraz z głębokością (rys.4). Wydajność studzien w utworach strefy aktywnej wymiany utworów fliszowych jest zazwyczaj na poziomie kilku m 3 /h, bardzo rzadko ponad 10 m 3 /h w strefach większych dyslokacji. Przewodności strefy wodonośnej są najczęściej rzędu 1-10 m 2 /d co odpowiada niskiej klasie przewodności wg Krasnego. 5. Jakość wód podziemnych. W części wewnętrznej MK w obrębie niecki podhalańskiej i otaczającego ją masywu tatrzańskiego moŝna wyróŝnić kilka stref hydrogeochemicznych związanych z warunkami krąŝenia i wymiany wód podziemnych. Strefa I - obejmuje masyw tatrzański, a szczególnie serie mezozoiczne i eocen węglanowy naleŝące do głównego zbiornika zwykłych wód podziemnych tego obszaru GZWP 441 Zakopane. Intensywna wymiana wód w tym obszarze spowodowała w przeszłości wielokrotne przemycie warstw wodonośnych. Skład wód podziemnych (rys.6) odzwierciedla równowagę ze skałami węglanowymi z udziałem dolomitów. PrzewaŜają wody o mineralizacji zazwyczaj poniŝej 200 mg/dm 3 i dominującym typie wody HCO 3 - Ca - Mg. Strefa II obejmuje północną część GZWP 441 w obrębie której osadowe serie węglanowe Tatr pokryte są utworami fliszu podhalańskiego. Jest to południowe skrzydło niecki podhalańskiej o intensywnej wymianie wody, stopniowo rosnącej temperaturze wód i ciśnieniu. Skład wód poznany w szeregu otworach tej strefy (rys.6) jest podobny do wód Ŝródeł w obszarze tatrzańskim, ale mineralizacja wód jest wyŝsza dochodząc do około 400 mg/dm 3. Strefa III obejmuje złoŝe wód termalnych w utworach podfliszowych niecki podhalańskiej. Skład wód (rys.6) wykazuje cechy typowe dla procesu przemywania utworów które w nieodległej przeszłości geologicznej były wypełnione wodami słonymi. Ostatni taki okres miał miejsce w paleogenie, a wody słone związane były ze zbiornikiem sedymentacyjnym z okresu depozycji eocenu numulitowego i fliszu podhalańskiego. Począwszy od górnego oligocenu, po wynurzeniu otaczających nieckę masywów rozpoczął się trwający do dzisiaj etap infiltracyjny, kiedy do utworów podfliszowych przenikają wody meteoryczne wypierając stopniowo wody słone. W aktualnie trwającym etapie infiltracyjnym nastąpiło prawdopodobnie wielokrotne przepłukanie zbiornika wód termalnych przez słodkie wody krąŝące w tym systemie. Przypuszczalnie pozostały jedynie stosunkowo nieduŝe zawartości chlorków w mniej 4

5 dostępnych dla krąŝenia strefach zbiornika oraz duŝo większa ilość sodu zaadsorbowanego przez skały i uwalnianego obecnie na drodze wymiany jonowej do wód podziemnych. Powoduje to, Ŝe wody krąŝące aktualnie w systemie mają zawartość chlorków narastającą w kierunku stref mniej przemytych oraz co bardziej typowe ilość sodu znacznie przewyŝszającą równowaŝnikowo stęŝenie chlorków (rna/rcl = 1.6 do 3.8). Na rys.6 pokazano strzałkami kierunki zmian składu wód od stref dobrze przemytych krąŝącymi wodami infiltracyjnymi ku strefom słabiej przemytym. Kierunki przemian są dodatkowo skomplikowane przez proces redukcji siarczanów i pojawianie się w wodach siarkowodoru. Wynikają stąd dwie gałęzie przemian pokazane na rysunku dla wód o niskiej i wysokiej zawartości siarczanów. Mineralizacja wód w strefie III zmienia się od około 600 do ponad 3000 mg/l. Temperatura wód od 60 do 90 o C. W części zewnętrznej MK w utworach fliszowych typowe wody posiadają mineralizację około 300 do 600 mg/l, w strefach wypływu wód mineralnych mineralizacja jest wyŝsza choć zazwyczaj lokalnie, co wynika z systemu krąŝenia (por.rys.5). Wody słodkie strefy aktywnej wymiany wód to zazwyczaj wody typu HCO 3 -Ca wg Altowskiego-Szwieca, ale takŝe HCO 3 - Ca-Mg, oraz wielojonowe np. HCO 3 -Ca-Na-Mg. W zbiornikach GZWP dolinnych w utworach czwartorzędowych mineralizacja jest zazwyczaj rzędu 100 do 500 mg/l, a typ HCO3-Ca i HCO3-Ca-Mg. W strefach zmienionych antropogenicznie pojawiają się wody z podwyŝszonym udziałem procentowym siarczanów, chlorków, a czasem azotanów. Wody zbiorników fliszowych oraz czwartorzędowych są przewaŝnie odkryte i mają naturalnie niską zawartość Ŝelaza i manganu typową dla warunków utleniających. Głębsze wody zawierają juŝ podwyŝszoną zawartość Ŝelaza rzędu pojedyńczych mg/l. W obrębie MK występują liczne wody mineralne i lecznicze. Do najbardziej rozpowszechnionych naleŝą szczawy i solanki, ale są równieŝ wody siarczkowe, a w części wewnętrznej MK wody termalne. MK to takŝe obszar intensywnej eksploatacji tzw. naturalnych wód mineralnych i naturalnych wód źródlanych. Charakterystyka wymienionych typów wód zostanie podana przy omówieniu wód mineralnych i leczniczych Polski w dalszej części wykładu. 5

6 Rys.1 Fragment mapy GZWP masywu karpackiego. 6

7 Rys. 2 Wychodnie piaskowców fliszowych wskazują na dominację krąŝenia szczelinowego. Potok Szczawnik w Muszynie-Złockiem. Rys. 3 Wgłębny przekrój geologiczny przez Karpaty (Oszczypko, 1999). Przekrój ilustruje pochodzenie dwutlenku węgla dla wód mineralnych Krynicy, generowanego na duŝych głębokościach pod Karpatami jako efekt wydzielaniaco 2 ze skał w procesach ich metamorfizmu. Jest to takŝe źródło wód diagenetycznych stanowiących część składową specyficznego typu wód zwanych zuberami 7

8 Rys.4. Schemat ideowy krąŝenia wód w Karpatach fliszowych. Objaśnienia: 1- zwierciadło wód podziemnych; 2-strefa aktywnej wymiany wód (uwaga: na objaśnieniu brak niebieskiej barwy powyŝej kropek). Intensywność wymiany maleje wraz z głębokością zgodnie ze zmniejszaniem się współczynnika filtracji skał (rys. na planszy bocznej); 3-kierunki przepływu w strefie aktywnej wymiany wód; 4-kierunki wgłębnej wymiany wód w szczelinowatych utworach fliszowych pod wpływem róŝnicy ciśnień między obszarami wyniesionymi a dolinami; 5-źródła wypływające w miejscach gdzie zmniejszona przepuszczalność skał uniemoŝliwia odprowadzenie całości wód podziemnie. 8

9 Rys.5 Schemat ilustrujący współwystępowanie wód zwykłych i mineralnych w Karpatach na przykładzie szczaw rejonu Krynicy 9

10 Rys.6. Charakterystyka hydrochemiczna wód termalnych niecki podhalańskiej na tle składu wód z obszarów zasilania. (wg Witczak 1999) Objaśnienia : 1 - skład wód z wierceń w obrębie GZWP 441 Zakopane; 2 - skład wód w złoŝu wód termalnych w utworach podfliszowych niecki podhalańskiej; 3 - kierunki zmian składu wód od stref intensywnie przemywanych wodami infiltracyjnymi do stref mniej przemytych; 4 - otwory opróbowane w obrębie GZWP 441; 1-Staników śleb S1; 2-Hruby Regiel IG- 2; 3-Skocznia IG-1; 4-Siwa Woda IG-1; 5-Zazadnia IG-1; 6-Zakopane 2; 7- Zakopane IG otwory w granicach złoŝa wód termalnych w utworach podfliszowych niecki podhalańskiej: 8-Furmanowa PAN-1; 9-Chochołów PIG-1; 10-Poronin PAN-1; 11- Biały Dunajec PAN-1; 12-Bańska IG-1; 13-Biały Dunajec PGP-2; 14-Bańska PGP-1. 10