HYDROGEOCHEMIA SZCZAW TERMALNYCH DUSZNICKIEGO SYTEMU HYDROGEOTERMICZNEGO

Beata WIKTOROWICZ Technika Poszukiwañ Geologicznych Pañstwowy Instytut Geologiczny- Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 /010 Pañstwowy Instytut Badawczy Oddzia³ Œwiêtokrzyski im. Jana Czarnockiego 5-953 Kielce, ul. Zgoda 1 Tel. (041) 3615 37; e-mail: beata.wiktorowicz@pgi.gov.pl HYDROGEOCHEMIA SZCZAW TERMALNYCH DUSZNICKIEGO SYTEMU HYDROGEOTERMICZNEGO STRESZCZENIE Szczawy termalne s¹ szczególnym rodzajem wód podziemnych, wykorzystywanym do celów balneologicznych. Dusznicki system geotermiczny buduje kompleks ska³ metamorficznych z³o ony ze zró nicowanych facjalnie i petrograficznie ³upków ³yszczykowych oraz gnejsów z soczewkami u i wapieni krystalicznych. Wystêpuj¹ce w ich obrêbie szczawy charakteryzuj¹ siê niewysok¹ mineralizacj¹ wahaj¹c¹ siê od 1,3 do 3,4 g/dm 3 oraz temperatur¹ wód przy wyp³ywie na powierzchniê od 10,5 do 34,7 C. S¹ to wody o g³ównym typie chemicznym -Ca-Na(Mg). W artykule przedstawiono wyniki iloœciowej analizy zwi¹zku œrodowiska skalnego ze sk³adem chemicznym szczaw termalnych wystêpuj¹cych w obrêbie dusznickiego systemu hydrogeotermicznego. Do realizacji pracy wykorzystano modelowanie hydrogeochemiczne, które przeprowadzono przy u yciu programu komputerowego WATEQ4F. Otrzymane wyniki pozwoli³y na okreœlenie modelu hydrogeochemicznego formowania siê szczaw termalnych wystêpuj¹cych w rejonie Dusznik-Zdroju. Stwierdzono, e minera³ami decyduj¹cymi o równowadze hydrogeochemicznej wód eksploatowanych p³ytkimi ujêciami s¹: grupa wêglanów, krzemionka amorficzna i skaleñ potasowy. Natomiast z najg³êbszego odwiertu GT-1 g³ównie krzemionka amorficzna. Fazy rozpuszczane stanowi¹ minera³y z grupy amfiboli, piroksenów, serpentynu i chloryty. Ustalono równie, e w stosunku do faz mineralnych zawieraj¹cych zwi¹zki i elaza i ³yszczyków badane wody s¹ silnie przesycone. S OWA KLUCZOWE Szczawy termalne, dusznicki system hydrogeotermiczny, modelowanie hydrogeochemiczne * * * Recenzowa³a dr in. Barbara Tomaszewska Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 31.08.009 r., zaakceptowano do druku 3.06.010 r. 173

WPROWADZENIE W rejonie Dusznik-Zdroju wystêpuj¹ szczawy uznane za lecznicze. Wed³ug ogólnie przyjêtej definicji s¹ to wody, zawieraj¹ce w swoim sk³adzie co najmniej 1000 mg/dm 3 wolnego dwutlenku wêgla (Dowgia³³o i in. 00). Wody lecznicze Dusznik-Zdroju spoœród sudeckich szczaw wyró nia podwy szona temperatura osi¹gaj¹ca w wiêkszoœci ujêæ wartoœci od 10,5 do 18,8 C. Natomiast w nowo wykonanym otworze GT-1 o g³êbokoœci 1695 m, uzyskano szczawê termaln¹ o temperaturze 34,7 C (Fistek, Fistek 00). Problematyka hydrogeotermiczna regionu by³a tematem wielu dyskusji. Tezê o istnieniu dodatniej anomalii geotermicznej w rejonie Dusznik sformu³owa³ Dowgia³³o (1976, 1985, 1987). Przedmiotem niniejszej pracy jest charakterystyka hydrogeochemiczna dusznickich szczaw termalnych w œwietle nowych danych uzyskanych w wyniku wykonania g³êbokiego otworu GT-1 (Fistek, Fistek 00). Pierwsze wzmianki dotycz¹ce stanu równowagi termodynamicznej dusznickich szczaw poruszane by³y w pracach Leœniak i Nowak (1993), Wiktorowicz (004, 006) oraz Kie³czawy i Wiktorowicz (006a, 006b, 007). Do realizacji prezentowanej pracy wykorzystano modelowanie hydrogeochemiczne, które przeprowadzono przy u yciu programu komputerowego WATEQ4F (Ball, Nordstrom 199). 1. ZARYS WARUNKÓW GEOLOGICZNYCH Dusznicki system geotermiczny buduje kompleks ska³ metamorficznych jednostki krystaliniku Gór Bystrzyckich i Orlickich (rys. 1). S¹ to bardzo zró nicowane facjalnie i petrograficznie ³upki ³yszczykowe, ytowe, chlorytowe oraz gnejsy z wk³adkami i soczewkami u, amfibolitów oraz wapieni krystalicznych. W obrêbie jednostki spotyka siê ska³y y³owe, przypuszczalnie wieku górnokraboñskiego, reprezentowane przez lamprofiry i porfiry owe. Wyst¹pieniom tych ska³ towarzysz¹ powszechnie brekcje owo-owe, wype³niaj¹ce strefy pêkniêæ (Dumicz 1964). Na krystalicznym pod³o u w tzw. obni eniu dusznickim zalegaj¹ utwory górnej kredy jednostki synklinorium œródsudeckiego. S¹ to g³ównie osady margliste prze³awicone seriami piaszczysto-mu³owcowymi i wêglanowymi (Radwañski 1959). Na terenie objêtym badaniami wystêpuj¹ liczne uskoki, nale ¹ce generalnie do dwóch g³ównych systemów stref tektonicznych Sudetów (Dumicz 1964). Pierwszy system, do którego nale y uskok brze ny dusznicki, stanowi liniê o przebiegu NW-SE, oddzielaj¹c¹ krystalinik Gór Bystrzyckich i Orlickich od jednostki synklinorium œródsudeckiego. Drug¹, wa n¹ stref¹ uskokow¹ jest strefa dyslokacji Podgórze-Graniczna-Zieleniec o przebiegu NNW-SSE (rys. 1).. TYPY CHEMICZNE SZCZAW Obecnie w obrêbie uzdrowiska Duszniki Zdrój znajduje siê dziesiêæ ujêæ szczaw, z czego szeœæ nie jest eksploatowanych. Otwory usytuowane s¹ na niewielkim obszarze wzd³u osi 174

Agata Zimny Zdrój Pieniawa Pieniawa Chopina Chopina Jan Kazimierz Jan Kazimierz B-3 B-3 DUSZNIKI DUSZNIKI ZDRÓJ ZDRÓJ B- B- B-1 GT 1 B-1 B-4 B-4 1 3 4 5 6 7 0 0,5 km Rys. 1. Mapa geologiczna rejonu Dusznik Zdroju (na podstawie Radwañski 1959) Objaœnienia: 1 ska³y osadowe górnej kredy, granitognejsy, 3 mylonity, 4 kataklazyty, 5 wapienie krystaliczne 6 ³upki ³yszczykowe, 7 wyst¹pienia szczaw Fig. 1. The geological sketch map of Duszniki Spa (after Radwañski 1959) 1 the Upper Cretaceous sediments, granite, 3 mylonite, 4 cataclasites, 5 crystalline limestones, 6 mica schists, 7 CO -rich waters doliny Bystrzycy Dusznickiej. Pod wzglêdem chemicznym dusznickie szczawy reprezentuj¹ wody typu -Ca-Na-(Mg). Stopieñ mineralizacji jest zró nicowany i waha siê od 1,3 do 3,4 g/dm 3 (tab. 1). W sk³adzie chemicznym badanych wód dominuj¹cym anionem jest jon (91 96% mval/dm 3 ). Wœród kationów najwiêksze znaczenie posiadaj¹ jony wapniowe (37 90 % mval/dm 3 ), sodowe ( 30% mval/dm 3 ) i magnezowe (7 4% mval/dm 3 ). Warto zaznaczyæ, e badane szczawy charakteryzuje równie znaczna iloœæ rozpuszczanego CO (0,8,0 g/dm 3 ), który odzyskiwany jest do przemys³owego wykorzystania (Fistek 1977; Ciê kowski 1990). 3. ANALIZA WSKA NIKÓW NASYCENIA SI Oceny zwi¹zku miêdzy chemicznym sk³adem szczaw i sk³adem mineralnym ska³ woonoœnych dokonano na podstawie wartoœci wskaÿnika nasycenia SI (Saturation Index). Przyjêto, e stanowi bliskiemu równowadze, odpowiadaj¹ wartoœci wskaÿnika SI w przedziale ±5%log K T (Appelo, Postma 1999). 175

Tabela 1 Sk³ad chemiczny dusznickich szczaw w skróconym zapisie Kur³owa Table 1 Chemical composition of CO rich waters of the Duszniki Spa expressed by Kurlov formula Nazwa ujêcia G³êbokoœæ [m] Agata 0,0 Okres i /liczba analiz 1986 1999 /13/ Skrócony zapis analiz wzorem Kur³owa 1 18 13 17HCO3 95 96 SO4 3 4 Cl 1,,,, 10 CO M T, 5 13, 4 90 7 8 Ca Mg Na Pieniawa Chopina Jan Kazimierz B-4 Nr 39 56,0 180,0 1980 008 /76/ 13 0 15 8 HCO3 91 95 SO4 4,,,, 8 Cl 1 15 5 18 8 CO M T,, 46 50 30 0 4 Ca Na Mg GT-1 193,5 534,0 55,5 1695,0 00 /1/ 00 /1/ 09, 3, HCO3 93 SO4 5 Cl 1 6 CO M T 37 30 Ca Na Mg 08, 34, HCO3 95 SO4 4 Cl 1 34, 7 CO M T 4 9 0 Ca Na Mg WskaŸnikSI 0 5 10 15 0 5 30 35 40 Temperatura [ O C] - -4 fluoroapatyt -6-8 Rys.. WskaŸniki stanu nasycenia (SI) dla dusznickich szczaw wzglêdem wybranych minera³ów Fig.. Saturation index (SI) of CO rich waters in Duszniki Spa with respect to typical minerals 176

Na podstawie uzyskanych wyników ustalono, e stan równowagi hydrogeochemicznej szczaw dusznickiego systemu geotermalnego kszta³tuje g³ównie krzemionka amorficzna (SI od 0,3 do 0,15). Stwierdzono, e wody p³ytszego horyzontu wykazuj¹ równie stan bliski punktowi nasycenia z grup¹ wêglanów reprezentowan¹ przez i (SI od 0,03 do 0,5). Œwiadczy to o zwi¹zku badanych wód z wapieniami krystalicznymi, wystêpuj¹cymi w tym rejonie, o czym wzmiankowa³ ju Dowgia³³o (1978). Przy czym zauwa a siê, e w partiach g³êbszych badane wody charakteryzuj¹ siê stanem przesycenia wzglêdem minera³ów wêglanowych, reprezentowanych przez i (SI od 0,6 do 1,39). Natomiast cech¹ wyró niaj¹c¹ szczawê termaln¹ ujêt¹ w najg³êbszym horyzoncie jest uzyskanie stanu bliskiego równowadze z fluoroapatytem (SI 0,35) i iem (SI 0,48). Analiza wskaÿników nasycenia wykaza³a, e wszystkie badane dusznickie szczawy wykazuj¹ stan niedosycenia z grup¹ serpentynu, amfiboli i piroksenów (SI od 1, do 8,05). Ustalono równie, e badane wody wykazuj¹ stan przesycenia wzglêdem u, u oraz u (SI od 0,61 do,17). Na podstawie otrzymanych wyników mo liwa by³a próba ustalenia pionowej strefowoœci hydrogeochemicznej dusznickich szczaw. Zró nicowanie widoczne jest tym bardziej, e odwiert GT-1 posiada a 1695 m g³êbokoœci (Fistek, Fistek 00). Uzyskane wyniki pozwoli³y na przedstawienie odpowiedniego schematu (rys. 3). Najciekawszy efekt uzyskano w przypadku nasycania siê szczaw em. Zauwa a siê zmianê parametru od wartoœci charakteryzuj¹cych stan wysokiego niedosycenia (SI > 7,0) dla szczaw eksploatowanych p³ytkimi ujêciami, do wartoœci znacznie mniejszych (SI od 0,81 do 1,64) dla wód ujêtych najg³êbiej. Podobn¹ zale noœæ obserwuje siê dla chryzotylu, jak i diopsydu. Uzyskane wartoœci œwiadcz¹ o procesie mieszania siê szczaw, uformowanych na du ych g³êbokoœciach, z wodami o wyraÿnie ujemnych wartoœciach wskaÿników nasycenia w stosunku do minera³ów ska³ metamorficznych z grupy serpentynu, amfiboli i piroksenów. Nale y zatem przyj¹æ mo liwoœæ zasilania dusznickich szczaw przez wody krasowe rozwiniête tu w wapieniach krystalicznych, o czym wzmiankowa³ ju Ciê kowski (1989) oraz Ciê kowski i inni (1996). Z lokalizacji ujêæ wynika, e dop³yw wód krasowych nastêpuje z kierunku po³udniowego, na g³êbokoœci oko³o 00 m. W toku przeprowadzonych badañ ustalono, e tworzenie siê dusznickich szczaw nastêpuje w obrêbie ska³ metamorficznych reprezentowanych przez ró ne odmiany ³upków krystalicznych, ³yszczykowych, granitognejsów, paragnejsów i wapieni krystalicznych. Natomiast na powierzchni mo emy obserwowaæ wyp³ywy szczawy o zró nicowanej mineralizacji i temperaturze, ale o podobnym typie chemicznym -Ca-Na-(Mg). PODSUMOWANIE I WNIOSKI Podjêcie badañ nad stanem równowagi hydrogeochemicznej szczaw dusznickiego systemu hydrogeotermicznego jest szczególnie wa ne ze wzglêdu na wykorzystanie wód jako surowiec leczniczy w uzdrowisku. Przeprowadzone badania w sposób istotny uzupe³ni³y problematykê hydrogeochemiczn¹ sudeckich szczaw termalnych. Wykonana analiza okreœli³a w sposób iloœciowy dominuj¹cy wp³yw ró norodnoœci œrodowiska skalnego na for- 177

0 Temperatura [ C] G³êbokoœæ [m] 0 0 0 40 0 C 100 00 300 400 -Na-Mg ph=7,38 Sp=1,6 g/l -Ca-Na(Mg) ph=6,5 Sp=3,95 g/l chryzotyl fluoroapatyt diopsyd chryzotyl diopsyd 500 600 -Ca-Na(Mg) ph=6,46 Sp=3, g/l fluoroapatyt chryzotyl diopsyd 700 800 900 -Na-Mg ph=6,45 Sp=3,16 g/l chryzotyl fluoroapatyt diopsyd 1000 1100 100 -Ca-Na ph=6,55 Sp=,89 g/l fluoroapatyt chryzotyl diopsyd 1300 1400 1500 1600 1700 -Ca-Na ph=6,64 Sp= 3,41 fluoroapatyt chryzotyl diopsyd Objaœnienia: 1 3 4 5 Rys. 3. Zmiennoœæ wybranych wskaÿników stanu nasycenia (SI) dusznickich szczaw termalnych w profilu pionowym (wykonano na podstawie Fistek, Fistek 00) 1 osady czwartorzêdowe, ³upki ³yszczykowe, 3 paragnejsy muskowitowo-biotytowe, 4 granitognejsy, 5 gnejsy z wk³adkami ³upków amfibolowych i muskowitowo-biotytowych Fig. 3. Saturation indexes (SI) of CO rich waters in Duszniki Spa (on the basis Fistek, Fistek 00) 1 Quaternary sediments, mica schists, 3 paragneiss, 4 granite, 5 gneiss from the inserts and shale amfibolite and muscowite-biotyte 178

Tabela Zestawienie wskaÿników nasycenia SI dla szczaw termalnych z otworu GT-1 w Dusznikach Zdroju (na podstawie Fistek, Fistek 00) Table Saturation indexes (SI) of CO rich waters in Duszniki Spa (on the basis Fistek, Fistek 00) Faza mineralna Typ wody -Na-Mg -Ca-Na -Na-Mg -Ca-Na -Na-Mg -Ca-Na -Ca-Na temperatura [ C] 10 15,8 8,4 8,8 30,6 31, 31,3 30,6 31 3 33,8 31 34,9 35,8 g³êbokoœæ [m] 198,0 16,0 193,5 560,0 796,5 10,0 1695,0 Tremolit Ca (Mg,Fe) 5 (OH)[Si 4 O11],98 8,5 5,7 6,85 4,8 0,1,81,64,3 1,6 1,7,99 0,81 1,64 Chryzotyl Mg 6 (OH)[Si 4 O 10 ] 4,6 8,06 6,37 7,1 5,9 4,4 5,68 5,37 5, 4,84 4,73 5,84 4,4 4,85 Diopsyd CaMg[Si O 6 ] 4,1 5,8 4,45 4,73 4,1,74 3,63 3,53 3,44 3,4 3,1 3,47,98 3,18 Dolomit Ca,Mg(CO 3 ) 0,03 0,34 0,33 0,41 0,49 1,1 0,64 1,005 1,6 1,5 1,5 1,0 1,39 1,5 Kalcyt CaCO 3 0,1 0,6 0,34 0,5 0,35 0,89 0,6 0,8 0,9 0,9 0,9 1,01 0,95 0,9 SI (a) SiO 0,3 0,05 0,05 0,08 0,11 0,14 0,15 0,03 0,0 0,04 0,03 0,0 0,08 0,06 Fluoroapatyt Ca 5 (PO 4 ) 3 F 0,4 0,89 0,3 0,48 1,77 0,67 0,17 0,83 0,68 1,91 0,99 1,09 0,16 0,35 Talk Mg 3 [(OH) Si 4 O 10 ] 3,03,64 0,87 1,86,9 1,8 0,05 0,01 0,5 0,5 0,65 0,46 0,87 0,48 Krystobalit SiO 0,61 0,97 0,91 0,78 0,95 0,98 0,99 0,8 0,87 0,8 0,8 0,83 0,75 0,76 Kwarc SiO 1,05 1,38 1,3 1,15 1,34 1,36 1,38 1,1 1,5 1,18 1,19 1, 1,13 1,14 Hematyt Fe O 3 0,6 1,79 19,77 0,3 0,74 1,37 19,89 1,01 1,08 0,58 0,64 0,53 0,55 0,5 Pogrubiono wartoœci bliskie stanowi równowagi hydrogeochemicznej 179

mowanie siê specyficznego sk³adu chemicznego badanych wód oraz potwierdzi³a dotychczasowe pogl¹dy dotycz¹ce ich genezy (Fistek 1977; Ciê kowski 1989, 1990). LITERATURA APPELO C.A.J., POSTMA D., 1999 Geochemistry, groundwater and pollution. Publ. A.A. Balkema (Rotterdam) Brookfield. BALL J.W., NORDSTROM D.K., 199 User s manual for WATEQ4F, with revised thermodynamic data base trace test cases for calculating speciation of minor, trace and redox elements in natural waters. U.S.Geol.Surv., Open File Rep. 91 183. CIÊ KOWSKI W., 1989 Wstêpne wyniki badañ znacznikowych wód podziemnych w metamorfiku Gór Orlickich. [W:] Pr. Nauk. Inst. Geotech., nr 58, seria Konferencje nr 9, Wroc³aw, 5 9. CIÊ KOWSKI W., 1990 Studium hydrogeochemii wód leczniczych Sudetów polskich. Pr. Nauk. Ins. Geotechn. PWr, Seria Monografie. CIÊ KOWSKI W., DOKTÓR S., GRANICZNY M., KABAT T., LIBER-MADZIARZ E., PRZYLIPSKI T., TEISSEYRE B., WIŒNIEWSKA M., ZUBER A., 1996 Okreœlenie obszarów zasilania wód leczniczych pochodzenia infiltracyjnego w Polsce na podstawie badañ izotopowych. Za³. 6, Z³o e wód leczniczych Dusznik Zdroju. Zak³ad Badawczo-Us³ugowy Zdroje, Wroc³aw (mat. niepubl.). DOWGIA O J., 1976 Wody termalne Sudetów. Acta Geol. Pol. 6, 617 643. DOWGIA O J., 1985 Geochemiczne wskaÿniki temperatury i ich zastosowanie do sudeckich wód termalnych. Mat. Symp. Stan rozpoznania i perspektywy wykorzystania wód termalnych, 68 81. DOWGIA O J., 1987 A supposed geothermal anomaly in the Duszniki-Kudowa area (Polish Western Sudetes). Biul. Pol. Ac. Sci., Earth Sciences 35, No 4, 33 333. DOWGIA O J., KLECZKOWSKI S., MACIOSZCZYK T., RÓ KOWSKI A. (red. nauk.), 00 S³ownik hydrogeologiczny. Wyd. PIG, Warszawa. DUMICZ M., 1964 Budowa krystaliniku Gór Bystrzyckich. Geol. Sud. 1, 5 7. FISTEK J., 1977 Szczawy Kotliny K³odzkiej i Gór Bystrzyckich. Biul. Geol. UW t., 61 115. FISTEK J., FISTEK A., 00 Dokumentacja hydrogeologiczna zasobów eksploatacyjnych szczaw termalnych ujêtych otworem Duszniki GT-1. Us³ugi Projektowe i Badania Geologiczno-Hydrogeologiczne dr Józef Fistek, Wroc³aw (mat. niepubl.). KIE CZAWA B., WIKTOROWICZ B., 006a Model hydrogeochemiczny formowania siê szczaw rejonu uskoku Pstr¹ na Gorzanów. [W:] Hydrogeochemi 06 X Miêdzynarodowa Konferencja Naukowa Aktualne problemy hydrogeochemii, 3.03 4.06.006, Sosnowiec Z³oty Potok, 4 44. KIE CZAWA B., WIKTOROWICZ B., 006b The use of WATEQ4F software in hydrogeochemical modeling of carbonated and containing carbon dioxide waters of Bystrzyca and Orlica Mountains (SW Poland). [W:] 4 th International Workshop Hard Rock Hydrogeology of the Bohemian Massif, Jugowice, 1 3 June 006, 3. KIE CZAWA B., WIKTOROWICZ B., 007 Hydrogeochemia szczaw i wód kwasowêglowych Ziemi K³odzkiej. [W:] XIII Sympozjum Wspó³czesne problemy hydrogeologii, Kraków Krynica, 1 3 czerwca 007, 13. LEŒNIAK P., NOWAK D., 1993 Water-rock interaction in some mineral waters in the Sudetes, Poland: Implications for chemical geothermometry. Ann. Soc. Geol. Pol. 63, 101 108. RADWAÑSKI S., 1959 Budowa geologiczna obni enia dusznickiego i wschodniej czêœci gór Sto³owych. Biul. Inst. Geol. 146, 5 56. WIKTOROWICZ B., 004 Wstêpna ocena stanu równowagi hydrogeochemicznej szczaw Ziemi K³odzkiej przy zastosowaniu modelowania geochemicznego. Prz. Geol. nr 11, t. 5, 1071 1075. WIKTOROWICZ B., 006 Równowaga hydrogeochemiczna szczaw Ziemi K³odzkiej. Praca doktorska. PWr. (mat. niepubl). 180

THE HYDROGEOCHEMISTRY OF CO RICH WATERS OF DUSZNIKI GEOTHERMAL SYSTEM ABSTRACT This paper presents the results of hydrogeochemical modelling of CO rich waters of Duszniki geothermal system. The analysis of the waters saturation with typical minerals was based on calculations carried out with the use of WATEQ4F code. The saturation state was estimated quantitatively with Saturation Index (SI). The interpretation of the saturation was limited to the most important rock-forming minerals. The thermal waters of Duszniki Spa flowing out in the area of the Bystrzyca and the Orlica Mountains metamorphic zone. Minerals regulating the hydrogeochemical equilibrium in CO rich waters of the Duszniki geothermal system are principally calcite, e and krzemionka amorficzna. KEY WORDS Thermal CO rich waters, Duszniki geothermal system, hydrogeochemical modelling