Streszczenie
Działalność górnicza je st zasadniczym czynnikiem zmian środowiska hydrogeochem icznego utworów wodonośnych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym.
Inform acje na tem at przyczyn zmienności charakterystyk fizykochemicznych wód kopalnianych w południowo-zachodniej części GZW m ogą znaleźć zastosowanie praktyczne.
Pozw alają one bowiem na określenie pochodzenia dopływów do czynnych wyrobisk, prognozowanie składu wód kopalnianych w warunkach zmian systemu drenażu górniczego, monitoring jakości wód podziemnych na terenie likwidowanych kopalń oraz, w perspektywie, przewidywanie hydrogeochem icznych efektów sekwestracji dwutlenku węgla.
Głównym celem niniejszej pracy była identyfikacja procesów formowania składu oraz charakterystyka wód kopalnianych w obszarach górniczych południowo-zachodniej, polskiej i czeskiej części GZW. Badania prowadzono w zasięgu dwu rejonów hydrochemicznych GZW (według podziału Różkowskiego, red. 2004). Rejon R4 - niecki chwałowickiej i jejkowickiej cechuje występowanie okien hydrogeologicznych w utworach trzeciorzędowych, intensywny drenaż górniczy oraz tektonika o charakterze fałdowo-zrębowym. W rejonie R7, w nadkładzie karbonu znajdują się miąższe, izolujące utwory trzeciorzędowe, tektonika ma charakter blokowy, a dopływy do kopalń są niskie. Analizowano również środowisko hydrogeochem iczne obszarów górniczych czeskiej części GZW. Zwrócono uwagę na występujące tu wody podziem ne utworów dolnego badenu, stanowiące główne zagrożenie dla prow adzonych prac górniczych, z drugiej zaś strony wykorzystywane w balneologii.
Zakładano, iż analizy chemiczne i izotopowe oraz rozpoznanie warunków hydrogeologicznych pozw alają przy użyciu odpowiednich procedur interpretacyjnych, na identyfikację procesów formowania składu oraz określenie pochodzenia wód kopalnianych.
Zagadnienia te nie były dotychczas kompleksowo opracowane dla południowo-zachodniego fragm entu GZW, obejmującego także część cze sk ą mim o znacznego podobieństwa i dużej współzależności problematyki górniczej i hydrogeologicznej.
Jednym ze efektów pracy było zgromadzenie w jednolitej bazie, pochodzących z różnych źródeł, danych opisujących chemizm wód kopalnianych. Zawarte w niej analizy własne zaw ierają niepodawane dotąd przez innych autorów, wyniki oznaczeń wykonywanych w terenie, warunkujące rzetelność interpretacji. W alorem przeprowadzonych obliczeń hydrochem icznych z uwagi na w ysoką mineralizację wód je st wykorzystanie modelu Pitzera, który stosowano, o ile było to możliwe, dla określenia relacji aktywności jonów . Rozpoznanie hydrogeologicznych oraz technologicznych przesłanek formowania chemizmu wód prowadzono, rozpoczynając od poziomu kolejnych wyrobisk. Tak precyzyjne opracowanie
pozwoliło na przedstawienie spostrzeżeń o charakterze regionalnym. Ma ono też wymiar praktyczny, ukazując interpretację przypadków, wynikających z hydrogeologicznej praktyki górniczej.
Zróżnicowanie chemizmu w ód kopalnianych w warunkach drenażu górniczego oraz strefowość i chemizm wód kopalnianych przedstawiono bazując na oznaczeniach fizyko
chemicznych parametrów wód. Stwierdzono, iż spowodowane drenażem zmiany środowiska hydrogeochemicznego dow odzą intensywnego udrożnienia masywu skalnego. Spąg strefy intensywnej wymiany występuje na głębokości od około 100 m p.p.t. w kopalniach rejonu hydrochemicznego R7, do 800 m p.p.t w kopalniach rejonu R4, gdzie równocześnie zaznaczają się domieszki wód, pochodzących z trzeciorzędowych poziomów wodonośnych.
W ody kopalniane, o parametrach typowych dla strefy intensywnej wymiany, napotykane w Okręgu Karwińskim, naw et do głębokości 1155 m p.p.t., są związane z domieszkami wód technologicznych. W nieckach jejkowickiej i chwałowickiej w ciągu ostatnich dwudziestu lat ograniczeniu uległ zasięg strefy stagnacji hydrodynamicznej na rzecz powiększonego zasięgu wód kształtowanych w warunkach utleniających, w strefie utrudnionej wymiany.
Interpretację pochodzenia dopływów z karbońskiego kompleksu wodonośnego do wyrobisk kopalń polskiej części GZW przeprowadzono na podstawie własnych analiz chemicznych i izotopowych, posługując się podziałem, opartym na rezultatach badań Różkowskiego i Przewłockiego (1974, 1987), Pluty i Zubera (1995) oraz Różkowskiego (1995, 2003), nawiązującym do teorii paleohydrogeologicznego rozwoju zapadliska górnośląskiego w ujęciu Pałysa (1966) oraz Różkowskiego et al. (1979). Zidentyfikowano występowanie następujących typów wód: III - najstarszych solanek infiltracyjnych; wód związanych z zasilaniem pretortońskim; VII - wód ostatniego trzeciorzędowego cyklu infiltracyjnego oraz: Q - wód infiltracji czwartorzędowej. W yróżniono także mieszaniny, złożone z wymienionych składników końcowych.
Rezultaty analiz izotopowych pozwoliły wykazać, iż wody współczesne m ieszają się z wodami głębokich poziomów - do głębokości 1000 m p.p.t. Domieszki w ód podziemnych pochodzących z utworów trzeciorzędu stwierdzono w wodach pobranych z głębokości sięgających 800 m p.p.t. Ilustruje to pogłębienie zmian środowiska hydrogeochemicznego utworów karbonu GZW, gdyż dotychczas napotykano je na poziomach do 600 m p.p.t.
N a podstawie analizy korelacji między przepływami i stężeniami substancji zawartych w wodach dopływających do wyrobisk dowiedziono, iż jedynie w sporadycznych przypadkach, przy ustabilizowanych warunkach technologii i wielkości eksploatacji, możliwe jest zdefiniowanie zmian chemizmu wód kopalnianych w funkcji zmian drenażu górniczego.
Stosując grupowanie m etodą rozmytych k-średnich, wydzielono subpopulacje wód kopalnianych, reprezentujące odmienne środowiska hydrogeochemiczne. Ich analiza prowadzona za pom ocą współczesnych technik interpretacji hydrochemicznej pozwoliła na zidentyfikowanie procesów formujących chemizm tych wód:
- Skład wód płytkich wyrobisk jest efektem wysładzania lub wymiany jonowej Ca2+ na Na+. Zjawiska te zachodzą w udrożnionych przez długotrwałe odwadnianie poziomach
wodonośnych karbonu. Chemizm wód płytkich poziom ów może być formowany przy udziale rozpuszczania kalcytu - jednego ze składników przepuszczalnych wkładek w utworach nadkładu oraz utleniania pirytu w otoczeniu starych zrobów.
W śród m echanizm ów kształtujących chemizm w ód strefy utrudnionej wymiany, w zasięgu w ystępow ania wkładek gipsonośnych w nadkładzie, zidentyfikowano procesy rozpuszczania CaSC>4, oraz w ym iany jonow ej pomiędzy infiltrującymi wodami a w arstw ą w o donośną zaw ierającą jo n y N a+. Zjawisko to formuje chemizm części wód dopływ ających do szybów, pozwalając na w zrost stężenia siarczanów przy utrzymanej przewadze stężeń jonów N a+ nad Ca2+.
Zależności między deficytem N a+ i wzbogaceniem w ód najgłębszych poziomów niecek chwałowickiej i jejkow ickiej w Ca2+ oraz położenia tych wód względem linii parow ania wody morskiej (SET) pozw alają zaliczyć je do wód reliktowych III etapu infiltracyjnego (co potwierdziły także analizy izotopowe), ukształtowanych częściowo przy udziale rezydualnych solanek, powstających podczas krystalizacji halitu.
Proponowana m odyfikacja dotychczasowej interpretacji, zgodnie z k tórą silnie zasolone wody w utw orach karbonu uważano za paleoinfiltracyjne, powstałe w wyniku ługow ania ewaporatów, polega zatem na uwypukleniu udziału solanek rezydualnych, uczestniczących w m odyfikowaniu chemizmu wyjściowych wód infiltracyjnych.
W rejonie hydrochemicznym R7 znaczna część bogatych w jo n y Br' wód kopalnianych głębokich poziom ów w ykazuje związki z odparowanymi w suchym klimacie wodami opadowymi, poddanym i w trakcie dalszej ewolucji odwrotnej wymianie jonow ej. Potwierdzałoby to tezę Pałysa (1966) o roli perm skiego cyklu infiltracyjnego w form owaniu chem izm u wód w utworach karbonu. W ysokie stężenia jonów Br' m ogłyby być spowodowane udziałem solanki resztkowej, pozostałej po krystalizacji halitu, lub dostaw ą Br* z materii organicznej. W obec braku utworów ewaporatowych w profilu geologicznym analizowanego rejonu bardziej prawdopodobna je st hipoteza związku podwyższonych zawartości B r' z jego desorpcją z m ateriału warstwy wodonośnej. Interpretacja dla wód rejonu R7 więc je st odmienna niż dla rejonu R4, gdzie w obszarach występowania trzeciorzędowego poziom u soli kamiennej napotykane są wody, formowane pod wpływem rozpuszczania halitu, które m ogą tworzyć m ieszaniny z wodami paleoinfiltracyjnymi utworów karbonu.
W większości wód kopalnianych rejonu R7 brak związków korelacyjnych pomiędzy stężeniami jonów Ca2+ i SO 42'. Świadczy to o zróżnicowaniu źródeł dostawy tych substancji do w ód kopalnianych. W ystępowanie ujemnej korelacji pom iędzy stężeniami jonów Cl" i SO 42" w badanych wodach m oże wynikać ze zróżnicowania proporcji m ieszania solanek, form owanych w redukcyjnym środowisku utworów karbonu, z wodami podziem nym i nadkładu, o wysokich stężeniach siarczanów oraz usuw ania tych ostatnich w procesie krystalizacji BaSC>4.
W składzie silnie zasolonych wód kopalnianych stężenia jonów I" oraz Ba2+ są słabo skorelowane ze stężeniami Cl". Oznacza to, że obecność I" oraz B a2+ sterowana jest innymi procesami niż filtracja mem branowa i odwrotna wym iana jonow a, które
w badanych wodach odpowiadają za zawartości Cl" oraz innych substancji, związanych z nimi statystycznie. Brak korelacji stężeń Br" oraz I" sugeruje, iż pochodzenia bromków w badanych wodach nie należy bezpośrednio łączyć z rozkładem materii organicznej.
- Udowodniono, iż stężenia jonów K+ oraz NH 4+ są w analizowanych wodach kopalnianych kontrolowane przez reakcje pomiędzy w odą a minerałami z grupy skaleni i illitem. M ożliwość istnienia procesu redukcji azotanów w środowisku wód kopalnianych była wcześniej sygnalizowana. Przedstawionymi w niniejszej pracy obliczeniami potwierdzono fakt, iż część jonów amonowych, obecnych w badanych wodach, może być efektem tego zjawiska, w którym uczestniczą bakterie redukujące także siarczany.
Podczas prowadzonych badań dokonano pierwszych oznaczeń składu izotopowego wód dopływających do wyrobisk kopalń czeskiej części GZW. Analizami objęto także wody utworów dolnego badenu: formacji dębowieckiej (tzw. detrit) i formacji skawińskiej (tzw.
poziomów piaszczystych). Te ostatnie wykorzystuje się w uzdrowiskach Klimkowice i Darków.
W ody podziemne formacji dębowieckiej czeskiej części GZW uważano dotąd za pogrzebane wody morskie lub związane z etapem infiltracji prebadeńskiej. W niniejszej pracy wykazano, iż m ogą one stanowić mieszaninę odparowanej wody morskiej z w odą o lżejszym składzie izotopowym i chemizmie związanym z ługowaniem ewaporatów.
Zgodnie z dotychczasowymi poglądami badaczy czeskich wody podziemne tzw.
horyzontów piaszczystych (formacja skawińska) uznawano za wody synsedymentacyjne.
W yniki przeprowadzonych oznaczeń składu izotopowego wód podziemnych wydobywanych dla uzdrowiska Darków wykazały jednak, iż stanow ią one mieszaninę wód morskich z leżejszymi izotopowo wodami czwartorzędowymi. W przypadku jednego z ujęć zaobserwowano rozcieńczanie intensywnie eksploatowanych solanek przez domieszkę wód współczesnych, co może mieć negatywne konsekwencje dla przyszłej eksploatacji.
Pochodzenie w ód ujm owanych dla uzdrowiska Klimkowice określono jako zbliżone do wód Darkowa.
Badania izotopowe potwierdziły, iż w analizowanych wodach zbiorczych z zatopionych kopalń niecek ostrawskiej i pietwałdzkiej, prócz w ód współczesnej infiltracji, zaznacza się udział wód podziemnych dopływających z poziomu warstw dębowieckich.
Zróżnicowanie chemizmu w ód podziemnych warstw dębowieckich czeskiej części GZW przedstawiono za pom ocą map. Skład wód, określający ich przynależność do wyróżnionych środowisk hydrogeochemicznych, przedstawia jedynie uporządkowanie horyzontalne. Na podstawie studium warunków hydrogeologicznych i hydrochemicznej interpretacji składu tych wód sformułowano następujące uwagi, dotyczące procesów formujących ich chemizm:
- Stężenia jonów Ca2+ w analizowanych wodach podziemnych mogłyby być regulowane przez procesy rozpuszczania kalcytu podczas pierwotnej migracji wód przez zawierające węglany pelityczne utw ory dolnego badenu oraz wymianę jonow ą pomiędzy w odą a skałami ośrodka wodonośnego.
- W iększość wód słabiej zm ineralizowanych może pochodzić z wód morskich, odparowanych w stopniu nieprzekraczającym punktu krystalizacji halitu. W ody o wysokiej mineralizacji stanow ią mieszaniny, których ogniwami końcowymi mogły być wody morskie, rezydualne solanki po krystalizacji halitu oraz płyny pochodzące z rozpuszczania tej soli.
- Dodatnia korelacja stężeń jonów M g2+ i Cl", przy zubożeniu w M g2+ w stosunku do wody morskiej sugeruje proces dolomityzacji, zachodzący w warstwie wodonośnej.
- Brak związków korelacyjnych między Cl" i S 0 42' pozwala na wysunięcie tezy o redukcji siarczanów, które stanowiły składnik analizowanych wód podziemnych.
- Jeżeli w wodach słabiej zmineralizowanych całość Br" związana jest z I", co wskazuje na źródło jeg o pochodzenia, czyli materię organiczną to w przypadku wód o silnej m ineralizacji zjaw iska prowadzące do zróżnicowania koncentracji Br" oraz I" były niezależne.
W pracy przedstawiono oryginalny, hydrogeochem iczny model form owania chemizmu w ód grubodetiytycznych utworów dolnego badenu czeskiej części GZW . Zakłada on rozcieńczanie roztworu początkowego - wody morskiej odparowanymi wodami opadowymi, przy równoczesnym dopływie CO2 oraz udziale wymiany jonowej i reakcjach rozpuszczania w ęglanów lub w ietrzenia skaleni. W efekcie m odelowania odtworzono skład roztworów teoretycznych zgodny z chemizmem wód, stwierdzanym w obrębie poziom u wodonośnego.
W ykazano, iż transform acje chem izm u związane z w ym ianą w ód w przestrzeni porowej przebiegają zgodnie z opisanym szeregiem zm ian typów wód (tab. 9.1).
Do statystycznej weryfikacji w nioskowania hydrochem icznego wprowadzono nowe narzędzie, jakim je st m etoda analizy danych złożonych (CDA). Jej wykorzystanie umożliwiło zobiektywizowanie osiągniętych rezultatów oraz sprecyzowania następujących uwag:
- Potwierdzono, iż obecne w wodach kopalnianych jony I" oraz Br" nie pochodzą w całości z tego samego źródła. Przyjm ując zatem organogeniczną naturę I" w wodach podziemnych, stężenia Br" musiałyby być częściowo kontrolowane procesami geogenicznymi.
- Rozcieńczanie wód podziemnych głębokich poziom ów przez w ody infiltracyjne w rejonie R7 nie m a w pływu na relację udziałów Br" - K +. Jak wykazano, je st ona związana z efektami desorpcji Br" oraz w ym ianą jo n o w ą NH 4+- K+ na materiale w arstwy wodonośnej.
- Ustalono, iż udziały Br", SO 42" i HCO3" determinowane są przez następujące procesy:
desorpcję Br" z m ateriału warstwy wodonośnej, utlenianie/redukcję form siarki, rozcieńczanie wód reliktowych wodami infiltracyjnymi i technologicznymi o znacznym udziale HCO3", krystalizację B a S 0 4, wytrącanie substancji BaCa(CC>3)2. Obliczeniami hydrochemicznymi potwierdzono, iż w środowisku wód kopalnianych oprócz w ytrącania barytu zachodzić może krystalizacja substancji BaCa(C03)2 (alstonit; barytokalcyt), wywołująca spadek stężeń Ba2+ w wodach kopalnianych.
- D la form owania chemizmu w ód kopalnianych niecki jejkow ickiej proces rozpuszczania CaC0 3 m a niewielkie znaczenie. Potw ierdzają to wyniki testów
niezależności subkompozycyjnej udziałów: ln(HC0 3'/Cl") oraz ln(Ca2+/K ). Wyjątek stanow ią jedynie wody płytkich wyrobisk, o najniższej mineralizacji, w których przypadku zauważalne jest wpływ rozpuszczania gipsów oraz wymiana jonow a. Obraz ten je st odmienny od otrzymanego dla wód niecki chwałowickiej, rejonu hydrochemicznego R7 oraz czeskiej części GZW.
N a podstawie subkompozycji udziałów Br’-S0 4 2-H C O 3 wykazano istnienie w analizowanym obszarze dwu środowisk hydrochemicznych: górotworu udrożnionego płytkimi poziomami kopalń, gdzie zaznacza się spadek udziałów H CO 3" na rzecz SO4 oraz środowiska głębszych poziomów z w idoczną dom inacją wód reliktowych, pozbawionych siarczanów.
Relacje pomiędzy udziałami odpowiednich jonów głównych, związane z procesami wysładzania wód reliktowych w utworach grubodetiytycznych dolnego badenu, zdefiniowano za pom ocą proporcji: H C O 3 /(Na++K+)~{(Na +K )/Cl-} . Procesy te są najbardziej intensywne w zachodniej części depresji bludowickiej oraz strefach uaktywnienia infiltracji wód opadowych przez drenaż górniczy.