Badanie zwi¹zku eksploatacji i likwidacji wa³brzyskich kopalñ
wêgla kamiennego z mineralizacj¹ wód leczniczych Szczawna Zdroju
W³adys³aw Czabaj*, Jerzy Klich**
The investigation on relations between exploatation and liquidation of Wa³brzych coal mines and the mineralization of curative waters of Szczawno Zdrój. Prz. Geol.,
53:230–236.
S u m m a r y. In the Wa³brzych area there existed coal deposits and nearby springs with natural mineral waters of oxalate type. Many years of underground coal mining resulted in the disap-pearance or demineralization of most springs. Only the springs of Szczawno Zdroj curative waters remained. Regression analysis demonstrated a statistically significant decrease in their mineralization in the 1963–1993 period. It was assumed that the reason was an intense exploi-tation of coal in the “Thorez” mine. The use of Fourier harmonic analysis for time series from 1982 to 1998 has shown a strong correlation between the amount of CO2vented from the
“Thorez” mine and the content of typical ions and free CO2in curative waters of Szczawno
Zdroj. The liquidation of mines, and especially, the end of ventilation in August 1998, should increase the migration of endogenous CO2to the region of curative waters formation. A reversal of the trend towards their
demineral-ization is expected, as confirmed by the increasing trend of the content of typical ions in Szczawno Zdroj curative waters between 1990 and 1999.
Key words: curative water, mining waters, ventilation, carbon dioxide, harmonic analysis
Wa³brzyskie z³o¿a wêgla kamiennego s¹ zlokalizowa-ne w niecce morfologiczzlokalizowa-nej, otoczozlokalizowa-nej wzgórzami pocho-dzenia wulkanicznego (najwy¿szy Che³miec), gêsto poroœniêtymi lasami. W bezpoœrednim s¹siedztwie z³ó¿ wêgla wystêpowa³y liczne Ÿród³a wód mineralnych typu szczaw (ryc. 1). Przed przemys³ow¹ eksploatacj¹ wêgla rejon ten musia³y cechowaæ wyj¹tkowe walory turystycz-no-lecznicze. Górnicza eksploatacja wêgla jeszcze w cza-sach przedwojennych spowodowa³a zanik lub wys³odzenie wiêkszoœci okolicznych Ÿróde³ wód mineralnych, np. Stary Zdrój i Jedlina Zdrój. Do czasów powojennych zachowa³y siê jedynie Ÿród³a wód leczniczych Szczawna Zdroju. W oparciu o nie funkcjonuje obecnie Uzdrowisko „Szczawno –Jedlina”. Wzrost wydobycia wêgla w czasach powojen-nych, w tym szczególnie w latach 70. i 80., zagrozi³
rów-nie¿ tym wodom. Badaniami hydrochemicznymi i
statystycznymi stwierdzono ich powoln¹ demineralizacjê (Czabaj & Jarodzki, 1997). Otwartym pozosta³o pytanie, co by³o jej przyczyn¹.
D³ugoletnie wyp³ywy wód leczniczych w bardzo bli-skim s¹siedztwie podziemnych wyrobisk górniczych wa³brzyskich kopalñ wêgla kamiennego s¹ zjawiskiem unikalnym. Du¿a ró¿nica wysokoœci pomiêdzy wyp³ywa-mi wód leczniczych (od +402,66 m n.p.m. do +404,96 m n.p.m.) i poziomem drena¿u wód w kopalniach (min. –400 m p.p.m.) przemawia za brakiem kontaktu hydraulicznego miêdzy nimi. W badaniach hydrodynamicznych na modelu matematycznym (Fiszer, 1994) warunki brzegowe zew-nêtrzne postawiono na wychodniach warstw wa³brzyskich. Obszar Ÿródliskowy wód leczniczych Szczawna Zdroju (³upki ilaste i mu³owce dolnego karbonu) pozosta³ poza granicami zewnêtrznymi modelu.
Wyniki tych badañ s¹ wiêc nieu¿yteczne do okreœlania wp³ywu kopalñ wêgla na mineralizacjê wód leczniczych. Schemat obliczeniowy modelu matematycznego wykorzy-stano do poszukiwania innego ni¿ hydrauliczny zwi¹zku pomiêdzy wodami kopalnianymi i leczniczymi Szczawna Zdroju. Po wszechstronnej analizie postawiono tezê o zwi¹zku eksploatacji górniczej w kopalni „Thorez”, w tym szczególnie wentylacji CO2, z mineralizacj¹ wód leczni-czych Szczawna. W dowodzeniu tezy wykorzystano anali-zê harmoniczn¹ Fouriera, która s³u¿y do badania okresowej zmiennoœci odchyleñ resztowych od trendu.
Charakterystyka wód leczniczych Szczawna Zdroju
Wa³brzyski obszar Ÿródliskowy jest czêœci¹ wyd³u¿one-go pasa o przebiegu NW–SE i d³uwyd³u¿one-goœci ok. 45 km, roz-ci¹gaj¹cego siê wzd³u¿ pó³nocno-wschodniego obrze¿a niecki œródsudeckiej. Po³o¿ony jest miêdzy miejscowoœcia-mi Stare Bogaczowice na NW i Jedlin¹ Zdrojem na SE od miasta Wa³brzycha (ryc. 1). ród³a Szczawna Zdroju le¿¹ w œrodku tego obszaru, w pasie o d³ugoœci 200 m i szero-koœci 80 m wzd³u¿ biegu potoku Szczawnik. Przyjmuje siê, ¿e Szczawnik wykorzystuje uskok w pod³o¿u jego doliny i ma wp³yw na kr¹¿enie wód mineralnych (Fistek i in., 1975). ród³a Szczawna Zdroju s¹ jedynymi na tym obsza-rze, które nie uleg³y dewastacji lub wys³odzeniu, zacho-wuj¹c: wydajnoœæ i walory lecznicze. Pierwsze historyczne wiadomoœci o istnieniu Ÿróde³ w Szczawnie Zdroju pochodz¹ z XIII w. Regularna eksploatacja rozpoczê³a siê pod koniec XVIII w. W latach 1908–1912 wykonano obec-nie istobec-niej¹ce ujêcia. S¹ to ujêcia typu dzwonowego i bazuj¹ na kilkudziesiêciu samoczynnych naturalnych wyp³ywach ze ska³ dolnego karbonu. Obecnie eksploato-wane s¹ 4 zespo³y okreœlane mianem Ÿróde³: „Mieszko”, „D¹brówka”, „M³ynarz” i „Marta” oraz pojedyncze ujêcie „Mieszko 14” z grupy Ÿród³a „Mieszko”.
Generalnie wody lecznicze Szczawna Zdroju s¹ szcza-wami o sk³adzie HCO3–Na–Ca–Mg; sporadycznie zawie-raj¹ radon. Ka¿de z czynnych obecnie ujêæ charakteryzuje siê jednak pewn¹ odrêbnoœci¹ sk³adu:
*Instytut Górnictwa Odkrywkowego Poltegor – Instytut, ul. Parkowa 25, 51-616 Wroclaw; wladyslaw.czabaj@igo.wroc.pl
**Akademia Górniczo-Hutnicza), Wydzia³ Górniczy, al. Mickiewicza, 30-059 Kraków
„Mieszko” i „Marta” typ HCO3–Na,
„D¹brówka” typ HCO3–Na–Ca,
„M³ynarz” typ HCO3–Na–Mg–Ca.
Wody wszystkich ujêæ zawieraj¹ jako dominuj¹cy zestaw dwóch jonów HCO3–Na. W przypadku ujêcia „Mieszko” jest to zestaw sta³y, niezmienny w czasie. W pozosta³ych ujêciach o typie wód decyduj¹ równie¿ okre-sowo kationy Ca i Mg. Zmiany typu wód leczniczych Szczawna Zdrój w okresie realizowanych badañ hydroche-micznych 1993–1996 przedstawiono w (tab. 1).
Wszystkie wody lecznicze Szczawna Zdroju maj¹ wysok¹ zawartoœæ wolnego CO2,
który jest ich swoistym
(specy-ficznym) sk³adnikiem
decy-duj¹cym o walorach leczniczych. Najwiêksz¹ jego iloœæ stwierdza-no w wodach Ÿróde³ „Mieszko” i
„D¹brówka” — œrednio 1900
mg/dm3. Wody lecznicze
Szczaw-na Zdroju s¹ m³odymi wodami infiltracyjnymi. Œwiadcz¹ o tym
badania zawartoœci stabilnych
izotopów tlenu 18O i wodoru D szczaw sudeckich, które
objê³y równie¿ wody lecznicze Szczawna Zdroju (Ciê¿-kowski, 1990). Wed³ug wspomnianych badañ wody Szczawna Zdroju zawieraj¹ ok. 25 TU, co jest typowe dla wspó³czesnych wód opadowych. Pomimo m³odego wieku wody Szczawna Zdroju maj¹ bardzo wysok¹ mineralizacjê ogóln¹ przekraczaj¹c¹ w niektórych ujêciach 4000
mg/dm3
. Œrodowiskiem mineralizowania wód Szczawna Zdroju jest kompleks okruchowych ska³ dolnego karbonu z ró¿norodnoœci¹ petrograficzn¹ tworz¹cych je otoczaków (Teisseyre, 1958). Wzrostowi mineralizacji sprzyja
rów-0 5 10km Strz egom ka Pe³c znic a Szczawnik Œwidnica Jawor osady kenozoiczne Cenozoic deposits
osady górnej kredy Upper Cretaceous deposits
cechsztyn Zechstein
trachybazalty, tufy i lawy ryolitowe górnego karbonu i czeronego sp¹gowca trachybasalts, tuffs and rhyolith lavas of Upper Carboniferous and Rotliegendes zalbityzowane wulkanity niecki wa³brzyskiej albitized volcanites of Wa³brzych Basin
granity górnokarboñskie Upper Carboniferous granites dolny karbon (kulm) lower Carboniferous (culm)
zmetamorfizowany kambro-sylur i dewon czêœciowo mo¿e prekambr
metamorphosed Cambrian - Sylurian and Devonian, maybe Pre-Cambrian gnejsy prekambryjskie Pre-Cambrian gneisses pstry piaskowiec Buntsandstein czerwony sp¹gowiec Rotliegendes górny karbon Upper Carboniferous
górny dewon i najni¿szy karbon Upper Devonian and the lowest Carboniferous bazalty kenozoiczne
Cenozoic basalts
uskoki i nasuniêcia faults and overthrusts ród³a mineralne: Carbonated springs:
Q1–Stare RochowiceStare Rochowice
A–synklinorium œródsudeckie Middlesudetic Synclinorium B–Góry Sowie Sowie Mountains C–depresja Œwiebodzic Œwiebodzice Depression D–metamorfik kaczawski Kaczawa Metamorphic
E–metamorficzna okrywa granitu Karkonoszy
metamorphic mantle of the Karkonosze Mountain granites
–Stare Bogaczowice Stare Bogaczowice
Q2
–Piaskowa Góra w Wa³brzychu Piaskowa Góra in Wa³brzych
Q5
–Jedlina Zdrój Jedlina Zdroj
Q4
–dolina Czy¿ynki Czy¿ynka River Valley
Q3
–Szczawno Zdrój Szczawno Zdrój
Q6
Ryc. 1. Szkic geologiczny
Sudetów Œrodkowych i
Zachodnich na podstawie mapy
Teisseyre’a (1958) —
zmodyfikowanej, z miejscami wyst¹pieñ wód mineralnych
Fig. 1. Geological sketch of
Middle and West Sudetes
Mountains on the basis of map by H. Teisseyre (1958) — modification, with indicated occurrences of mineral waters
Ujêcie Intake
Rok Year „Mieszko” „Marta” „M³ynarz” „D¹brówka”
1993 HCO3–Na HCO3–Na–Ca HCO3–Na–Ca HCO3–Na–Ca–Mg
1994 HCO3– Na HCO3–Na–Ca HCO3–Na–Ca–Mg HCO3– Na–Ca
1995 HCO3–Na HCO3–Na–Mg–Ca HCO3–Na–Mg–Ca HCO3–Na–Ca–Mg
1996 HCO3–Na HCO3–Na HCO3–N–Mg HCO3–Na–Ca
Tab. 1. Zmiany typów wód leczniczych Szczawna Zdroju w poszczególnych ujêciach
nie¿ endogeniczny CO2 migruj¹cy z g³êbi ziemi. Wody nasycone dwutlenkiem wêgla maj¹ zdolnoœæ hydrolitycz-nego rozk³adu glinokrzemianów (plagioklazy i ortoklaz). Pochodz¹ st¹d g³ówne kationy wód Szczawna takie jak: Na+, K+, Ca+. Anion HCO3–pochodzi z reakcji hydrolitycz-nej wody z dwutlenkiem wêgla.
Na podstawie zale¿noœci pomiêdzy zawartoœc¹
stabil-nych izotopów tlenu18O i wodoru D w zwyk³ych wodach
podziemnych a wysokoœci¹ nad poziom morza, zosta³y okreœlone obszary zasilania dla ujêæ wód leczniczych Szczawna Zdroju (Ciê¿kowski, 1990). Badano wody typu HCO3–Na z ujêcia „Mieszko” i typu HCO3– Na–Ca z ujê-cia „D¹brówka”. Wed³ug tych badañ wody z ujêujê-cia „Mieszko” pochodz¹ z wysokoœci 620–690 m n.p.m., co wskazuje na górê Che³miec po³o¿on¹ na SW od Szczawna. Z jej stoków wyp³ywa potok Szczawnik, który przep³ywa w bezpoœrednim s¹siedztwie ujêæ (ryc. 1). Wody z ujêcia „D¹brówka”, podobnie jak z pozosta³ych ujêæ pochodz¹ z wysokoœci 410–480 m n.p.m., co wskazuje na najbli¿sze s¹siedztwo ujêæ.
Badania chemizmu wód leczniczych Szczawna Zdroju s¹ wykonywane regularnie jako analizy kontrolne 1 raz w roku (jesieñ) dla ka¿dego z piêciu ujêæ oddzielnie.
Zawar-toœæ anionu HCO3–w wodach jest oznaczana codziennie, z
wyj¹tkiem dni œwi¹tecznych, a wolnego CO2raz w
tygo-dniu. Wykonana analiza regresji dla typowych jonów wód leczniczych z okresu 1963–1993 wykaza³a ich trend malej¹cy, czêsto istotny statystycznie (Czabaj & Jarodzki, 1997). Wskazuje to na powoln¹ demineralizacjê wód lecz-niczych Szczawna Zdroju. Mo¿e to byæ proces naturalny, ale mo¿e te¿ oznaczaæ wp³yw dzia³alnoœci ludzkiej, np. górniczej.
Dzia³alnoœæ górnicza w likwidowanych kopalniach wêgla kamiennego
Na terenie Wa³brzycha górnictwo rozwinê³o siê bardzo wczeœnie. Ju¿ w 1366 r. osiedle otrzyma³o prawa górnicze na wydobywanie rud metali (srebra i o³owiu). Oko³o 1400 r. Wa³brzych otrzyma³ prawa miejskie i zacz¹³ rozwijaæ siê
jako oœrodek przemys³u, g³ównie w³ókienniczego.
Górnictwo wêglowe rozpoczê³o siê w XVI w. Najpierw wydobywano wêgiel na wychodniach, w naturalnych ods³oniêciach na powierzchni terenu, a nastêpnie sztolnia-mi. W drugiej po³owie XVIII w. znacznie wzrós³ rozwój górnictwa wêglowego. W XIX w. dominowa³o ju¿ ca³kowicie górnictwo wêglowe i zwi¹zany z nim przemys³. W tym czasie powsta³a sztolnia „Fridrich–Wilhelm” i pierwsze szyby górnicze (lata 1840–1850). Sztolnia „Frid-rich–Wilhelm” poprowadzona na poziomie +391 m z rejo-nu szybu „Julia” w kierunku pó³nocno-wschodnim, mia³a wylot w dolinie rzeki Pe³cznicy (ryc. 2). W trakcie likwida-cji kopalñ przewiduje siê jej wykorzystanie do odprowa-dzania podnosz¹cych siê wód podziemnych i w ten sposób przeciwdzia³ania podtopieniu powierzchni terenu (Fiszer & Winnicki, 1999).
W okresie powojennym eksploatacjê wêgla w niecce wa³brzyskiej prowadzi³y trzy kopalnie: „Wa³brzych”, „Thorez” i „Victoria” (ryc. 2). Pok³ady wêgla by³y zgrupo-wane w dwóch seriach wêglonoœnych, zwanych warstwa-mi wa³brzyskiwarstwa-mi i warstwawarstwa-mi ¿aclerskiwarstwa-mi. Obie serie wêglonoœne przedziela³y p³one warstwy bia³okamieñskie. Najwiêksze nasilenie robót górniczych i wydobycia wêgla przypada³o na lata 70. i 80. Kopalnie „Wa³brzych” i „Victoria” prowadzi³y eksploatacjê g³ównie w warstwach ¿aclerskich, które nie maj¹ istotnego znaczenia dla migra-cji endogenicznego CO2. Poziom wód podziemnych w obu wspomnianych kopalniach zosta³ obni¿ony maksymalnie w rejonie szybów „Chrobry”, do –400 m p.p.m.
Kopalnia „Thorez” prowadzi³a eksploatacjê tylko w warstwach wa³brzyskich. Przyjmuje siê, ¿e bior¹ one aktywny udzia³ w migracji endogenicznego CO2. Podziem-ne wyrobiska górnicze tej kopalni zbli¿y³y siê na mini-maln¹ odleg³oœæ 100 m od granicy obszaru górniczego wód leczniczych Szczawna Zdroju (ryc. 2). W po³udnio-wo-wschodniej czêœci obszaru górniczego eksploatacja dotar³a w bezpoœrednie s¹siedztwo ujêæ wód leczniczych Jedliny Zdroju. Drena¿ wód podziemnych w kopalni „Tho-rez” by³ prowadzony trzema szybami: „Julia”, „Teresa”,
Z .G .C h rob ry Z .G .V ictoria M a syw C h e³m ca Z .G .Julia O .G . Szczaw no Zdrój WITOLD JAN WANDA CHWALIBÓG KRAKUS JULIA SOBÓTKA IRENA CHROBRY MATYLDA STASZIC EUGENIUSZ VICTORIA KOPERNIK BARBARA TERESA POKÓJ KAMIEÑSK 0 1 2km -50 -50 +70 -200 -350 PH 9 PH 4 PH 5 PH 6 PH 8 PH 7 PH 11 PH-10 PH 3 PH 2 PH 1 piezometry wykonane w 1999 r. piezometers in the 1999 sztolnia Friedrich Wilhelm drift Friedrich Wilhelm +391
PH-10 granice obszarów górniczych
borders of the mining areas przekop miêdzy kopalniami throughs between mines -50 Stan na koniec 1994 r.: State of end 1994: szyby czynne open shafts szyby nieczynne closed shafts TERESA JAN
Ryc. 2. Obszary górnicze i
g³ówne wyrobiska w niecce wa³brzyskiej
Fig. 2. Mining areas and main
mining workings in the
„Pokój” i osi¹gn¹³ najni¿szy poziom, –350 m p.p.m. w rejonie szybu „Julia”.
Badania chemizmu wód podziemnych w kopalniach wêgla by³y prowadzone nieregularnie przez s³u¿bê geolo-giczn¹ trzech kopalñ: „Wa³brzych”, „Victoria” i „Thorez”, niezale¿nie od siebie. Analizy kontrolne obejmowa³y zakres do 24 wskaŸników. Nie oznaczano nigdy zawartoœci metali ciê¿kich i œladowych. Na podstawie badañ chemi-zmu wód kopalnianych, wykonanych przez kopalnie do koñca 1993 r., mo¿na stwierdziæ, ¿e s¹ to wody wie-losk³adnikowe trzech typów:
SO4– HCO3– Mg–Ca–Na,
HCO–SO–Mg–Ca–Na,
rzadziej SO4–HCO3–Na–Ca.
Warunki hydrogeologiczne w rejonie Wa³brzycha i krótk¹ charakterystykê chemizmu wód podziemnych przed zatapianiem kopalñ wêgla przedstawili (Czabaj & Jarodz-ki, 1996).
W dniu 29 listopada 1990 r. zosta³a podjêta decyzja o likwidacji zag³êbia wa³brzyskiego. Najprostszym sposo-bem na likwidacjê kopalñ okaza³o siê zaniechanie ich odwadniania i wentylacji oraz zasypanie szybów. Jako ostatnie wy³¹czono z eksploatacji dwie pompownie przy szybie „Julia” w czerwcu i w sierpniu 1998 r. Od tego momentu zatapianie zachodzi w sposób naturalny bez ingerencji ludzkiej z zewn¹trz. Podnoszenie siê wód pod-ziemnych jest monitorowane za pomoc¹ sieci piezometrów (ryc. 2).
Migracja dwutlenku wêgla
Wa¿nym czynnikiem wp³ywaj¹cym na mineralizacjê wód podziemnych w niecce wa³brzyskiej i na jej obrze¿ach (szczególnie wschodnim) jest CO2. Jego pochodzenie nie jest jednoznacznie okreœlone. Powszechnie uwa¿a siê, ¿e migruje z g³êbi Ziemi (Dowgia³³o, 1978; Ciê¿kowski, 1990; Czabaj & Jarodzki, 1996). O endogenicznym
cha-rakterze CO2 œwiadcz¹ tak¿e badania izotopowe gazów
akumulowanych w górnokarboñskiej serii wêglonoœnej niecki wa³brzyskiej (Kotarba, 1988, 1990). Ich autor doszed³ do wniosku, ¿e dwutlenek wêgla powsta³y w procesie uwêglania pod koniec ery paleozoicznej (termo-geniczny), wskutek naturalnego odgazowania opuœci³ macierzyste z³o¿e. W chwili obecnej w z³o¿u
wêgla mieszaj¹ siê ró¿ne typy genetyczne dwu-tlenku wêgla, ale dominuje migruj¹cy z wnêtrza Ziemi (endogeniczny). Wspomniane badania izotopowe gazów akumulowanych w z³o¿u wa³brzyskim wskazuj¹, ¿e elementem ³¹cz¹cym demineralizacjê wód leczniczych Szczawna Zdroju z eksploatacj¹ górnicz¹ w wa³brzyskich kopalniach wêgla mo¿e byæ endogeniczny CO2. Warto w tym miejscu zwróciæ równie¿ uwagê na
wiêksze zagro¿enie wyrzutami dwutlenku
wêgla ni¿ wybuchami metanu w kopalniach wa³brzyskich (Krzoska, 1970). Dotyczy to szczególnie by³ej kopalni „Thorez”.
Na podstawie powy¿szych badañ i obser-wacji przyjêto hipotezê, ¿e najbardziej istotn¹ dla mineralizacji wód podziemnych w niecce wa³brzyskiej oraz wód leczniczych Szczawna
Zdroju mo¿e byæ wentylacja CO2 w kopalni
„Thorez”, a po 1991 r. Z. G. „Julia” (tab. 2). Wentylacjê prowadzono trzema szybami: „Jan”, „Krakus” i „Pokój”, zlokalizowanymi od pó³nocnych do po³udniowo-wschod-nich obrze¿y Wa³brzycha (ryc. 2). Likwidacja kopalñ, w tym wy³¹czenie wentylacji gazów kopalnianych w szcze-gólnoœci, powinny mieæ pozytywny wp³yw na migracjê
CO2w rejony formowania siê wód leczniczych Szczawna
Zdroju.
Wp³yw eksploatacji i likwidacji kopalñ na wody lecznicze Szczawna Zdroju
Wody lecznicze Szczawna Zdroju i Wa³brzyskie Kopalnie Wêgla Kamiennego mia³y pokrywaj¹ce siê czêœciowo obszary górnicze. Co zatem decydowa³o, ¿e wody te nie uleg³y wys³odzeniu i nie straci³y swych walo-rów leczniczych? Udzielenie jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie jest trudne, szczególnie gdy nieznane s¹ wielora-kie zwi¹zki (geologiczno strukturalne, hydrodynamiczne, hydrochemiczne) ³¹cz¹ce wody w obu wspomnianych obszarach górniczych. Wody lecznicze Szczawna Zdroju jako szczawy sodowe i sodowo–wapniowe uzyskuj¹ mine-ralizacjê w procesie hydrolizy ska³, przez które filtruj¹. Czêsto s¹ to piaskowce i zlepieñce arkozowe z du¿¹ iloœci¹
skaleni. Hydrolityczne w³aœciwoœci wody zwiêksza
wyraŸnie obecnoœæ CO2:
H2O + CO2Û HCO3–+ H+
Ka¿de zmniejszenie dop³ywu CO2 w rejon Ÿróde³
Szczawna Zdroju musi wp³ywaæ negatywnie na
minerali-zacjê ich wód, a szczególnie na zawartoœæ jonów: Na+, Ca2+
i HCO3–. Sugestywnym przyk³adem tego jest spadek
zawartoœci wolnego CO2w wodach ujêcia „Marta” (ryc. 3).
Do okreœlenia wp³ywu eksploatacji górniczej i jej likwidacji na wody lecznicze Szczawna Zdroju wyko-rzystano analizê harmoniczn¹ Fouriera (Kildiszew & Frenkiel, 1976). W tym celu utworzono szeœæ 16-letnich sze-regów czasowych (1982–1998), a wiêc z okresu szczegól-nie intensywnej eksploatacji górniczej w koñcówce lat 80. i z okresu likwidacji po roku 1990. Jeden szereg dotyczy³
iloœci wentylowanego CO2w kopalni „Thorez” (od 1991r.
„Julia”); piêæ pozosta³ych zawartoœci jonów: Na+
, Ca2+ ,
Mg2+, HCO3– i wolnego CO2 w wodach leczniczych
wszystkich ujêæ Szczawna Zdroju. Programem
czas time CO [mg/dm ] 2 3 1976 1980 1984 1988 1992 800 1200 1600 2000 2400 2800 Y = 1,4252E5-70,7847*x; 0,95 Prz.Ufn. R=,86822497 R2= ,75381460 F(1,399)1221,7 p<0,0000 Stnd. Error of Est.: 181,52
Ryc. 3. Wykres rozrzutu CO2wód leczniczych Szczawna Zdroju (ujêcie „Mar-ta”)
Fig. 3. Graph showing distribution of CO2in curative waters from Szczawno Zdrój (water intake “Marta”)
STATISTIKA PL wykonano wykresy wymienionych sze-regów czasowych, ich analizê widmow¹ oraz korelacjê wzajemn¹ pomiêdzy szeregiem iloœci wentylowanego CO2 i szeregami wspomnianych wy¿ej wskaŸników chemicz-nych z wód leczniczych. Szczawna. Przyk³adowe wyniki z
korelacji wzajemnej dla Na+ przedstawiono na (ryc. 4),
gdzie poszczególnym latom na osi odciêtych odpowiadaj¹ numery kolejnych cykli (obserwacji). Na wykresie widaæ,
¿e od 1987 r. (6. obserwacja) spada wyraŸnie iloœæ Na+
w wodach Szczawna. Maleje równie¿ zawartoœæ innych
jonów (od 1985 r. Ca2+a od 1986 r. Mg2+). Ekstremum
minimalne tego spadku przypada na lata 1989–1990.
Zbie-Rok Year
Wentylacja gazów [mln m3/rok]
Ventilation of gases [mln m3/year] Uwagi
Comments
Szyb „Jan”
“Jan” shaft Szyb „Pokój”“Pokój” shaft
Szyb „Krakus” “Krakus” shaft Razem Total CO2 CH4 CO2 CH4 CO2 CH4 CO2 CH4 1982 15,23 8,18 14,30 5,62 8,60 3,14 38,13 16,94 1983 14,14 6,80 14,10 5,56 7,90 3,20 36,14 15,56 1984 13,19 6,43 13,60 5,40 8,20 3,10 35,70 14,93 1985 12,16 5,95 13,45 5,38 8,06 2,97 34,11 14,30 1986 11,65 5,40 13,15 5,22 7,95 2,86 32,75 13,48 1987 11,37 5,28 13,05 5,12 9,36 2,80 33,78 13,20 1988 10,98 4,96 12,89 5,12 7,23 2,96 31,10 13,04 1989 11,23 5,86 12,90 5,60 6,90 3,20 31,03 14,66 1990 10,89 5,20 13,06 5,30 7,20 2,90 31,15 13,40 1991 10,66 4,10 12,48 4,80 6,81 2,62 29,95 11,52 1992 9,89 3,80 11,80 3,80 6,23 2,46 27,92 10,06 1993 9,60 3,20 W grudniu 1992 r. wy³¹czony In December 1992 closed 5,89 2,12 15,49 5,32 1994 9,90 4,40 W grudniu 1993 r. wy³¹czony In December 1993 closed 9,90 4,40 1995 10.90 4,20 10,90 4,20 1996 14,13 1,90 14,30 1,90 1997 6,08 0,15 6,08 0,15 1998 6,40* 0,0 6,40 0,0 *za 7 miesiêcyfor 7 months 1999 W sierpniu 1998 wy³¹czony In August 1998 closed
Tab. 2. Wydajnoœæ wentylacji gazów w kopalni „Thorez” a nastêpnie Z. G. „Julia”
Table 2. The efficiency of gases ventilation in “Thorez” mine and next “Julia” Mining Plant Wykres wybranych zmiennych (szeregów)
Graph of selekted variables (series)
numer obserwacji number of observation wentylacja CO [mlnm /rok] [mlnm /year] 2 3 ventilation CO 2 3 S_Na [mg/dm3 ] + 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 200 250 300 350 400 450 500 Korelacja wzajemna Poprz.: Wentylacja CO OpóŸn.: S_Na Mutual correlation Prec.: Ventilation CO Delay: S_Na 2 + + 2 1,0 0,5 0,0 0,5 1,0 4 ,5022 ,2774 3 ,4740 ,2673 2 ,4084 ,2582 1 ,5074 ,2500 0 ,4464 ,2425 -1 ,3833 ,2500 -2 ,2806 ,2582 -3 ,1478 ,2673 -4 -,048 ,2774 OpóŸnienie: Delay: Korelacja Correlation: CO (L)2 S_Na (R)+
Ryc. 4. Korelacja wzajemna miêdzy szeregami
iloœci wentylowanego CO2 w Z. G. „Julia” i
iloœci Na+ w wodach leczniczych Szczawna
Zdrój
Fig. 4. Correlation between the time series of
the amount of CO2ventilated from the Mining Plant “Julia” and the content of Na+in curative waters of Szczawno Zdrój
ga siê to z decyzj¹ o likwidacji wa³brzyskich kopalñ wêgla. Od 1992 r., po likwidacji szybu „Pokój” (11. obserwacja) nastêpuje wyraŸne za³amanie wydajnoœci wentylacji CO2. Równo-legle obserwuje siê wzrost zawartoœci w wodach leczniczych wszystkich 4 analizowanych jonów i wolnego CO2.
Korelacja wzajemna pomiêdzy szeregiem
iloœci wentylowanego CO2 i szeregami
zawar-toœci trzech jonów: Na+, Ca2+i HCO3–w wodach
leczniczych nie potwierdza obserwacji poczy-nionych na wykresach. Najwy¿szy stopieñ
sko-relowania badanych szeregów: rxy= 0,5074 dla
Na+ (ryc. 4), rxy = 0,4671 dla Ca2+, oraz rxy =
0,4435 dla HCO3–
wystêpuje z 1-rocznym przesuniêciem fazowym (opóŸnienie w sto-sunku do wentylacji). Zwi¹zek korelacyjny pomiêdzy badanymi zjawiskami jest statystycz-nie statystycz-nieistotny, jednak¿e zale¿noœæ miêdzy nimi nie jest równie¿ przypadkowa.
Maj¹c na uwadze wydzielone na podstawie badañ izotopowych dwa ró¿ne obszary zasilania dla wód leczniczych Szczawna, inny dla ujêcia „Mieszko” i inny dla pozosta³ych ujêæ (Ciê¿-kowski, 1990), wykonano korelacjê wzajemn¹ pomiêdzy szeregiem czasowym iloœci
wentylo-wanego CO2a szeregami zawartoœci: Na+
, Ca2+
Mg2+
i HCO3–
w wodach ujêcia „Mieszko”. Uzyskano wysok¹, istotn¹ statystycznie korela-cjê pomiêdzy szeregiem iloœci wentylowanego
CO2a szeregami zawartoœci: Na+
(ryc. 5), Ca2+ i
HCO3–
w wodach ujêcia „Mieszko”. Oznacza to szczególnie silny zwi¹zek korelacyjny pomiê-dzy dzia³alnoœci¹ górnicz¹ w kopalni „Thorez” a mineralizacj¹ wód tego ujêcia.
Przeprowadzone badania na szeregach cza-sowych nie dowodz¹ jednoznacznie wp³ywu
wentylacji CO2w kopalni „Thorez” na
demine-ralizacjê wód leczniczych Szczawna Zdroju. Jednak z ca³kowitym zaprzestaniem wentylacji w 1998 r. zbiega siê wzrost mineralizacji wód leczniczych. Mo¿na wnioskowaæ, ¿e bêdzie to wzrost trwa³y, do poziomu wynikaj¹cego z natu-ralnych warunków œrodowiskowych.
Potwier-dzaj¹ to badania zmian chemizmu wód leczniczych Szczawna Zdroju w trakcie likwidacji kopalñ, a wiêc w przedziale czasowym 1990–1999 za pomoc¹ analizy
regre-sji z estymacj¹ liniow¹. Dla typowych jonów: Na+, HCO3–
(ryc. 6), Ca2+ , Mg2+
, K+
oraz wolnego CO2uzyskano trend
rosn¹cy nieistotny statystycznie. Oznacza to wyraŸne odwrócenie tendencji od demineralizacji wód, gdy¿ anali-za regresji dla okresu 1963–1993 wykaanali-za³a trend malej¹cy,
istotny statystycznie dla: Na+, K+, Mg2+ i HCO3– oraz
malej¹cy nieistotny statystycznie dla Ca2+i wolnego CO2.
Dowodem na wzrost mineralizacji wód leczniczych
Szczawna Zdroju jest równie¿ wykres iloœci CO2 w
wodach ujêcia „Mieszko” w koñcu lat 90. (ryc. 7). Mo¿e to byæ wyraŸny pozytywny wp³yw likwidacji kopalñ (zanie-chania wentylacji gazów kopalnianych i odwadniania). Dowodzenie wp³ywu jednego zjawiska na drugie metoda-mi matematycznymetoda-mi jest trudne i niejednoznaczne.
1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 1997.11.18 1998.11.18 1999.11.15 2000.11.16 data date CO [mg/dm ] 2 3
Ryc. 7. ZawartoϾ wolnego CO2w wodach leczniczych Szczawna Zdroju w okresie od listopada 1997r. do listopada 2000r
Fig. 7. Dissolved CO2content in curative waters from Szczawno Zdrój from November 1997 to November 2000
19900 1992 1994 1996 1998 2000 400 800 1200 1600 2000 czas time HCO -[mg/dm ] 3 3 Y = -31341,9257+16,3172*x; 0,95 Prz.Ufn. R= ,10089787 R = ,01018038 F(1,49)= ,50397 p<,48113 Stnd. Error of Est.: 441,05 2
Ryc. 6. Wykres rozrzutu HCO3–wód leczniczych Szczawna Zdroju w czasie zatapiania kopalñ
Fig. 6. Graph showing distribution of HCO3–in curative waters from Szczawno Zdrój during flooding of nearby mines
Wykres wybranych zmiennych (szeregów) Graph of selekted variables (series)
numer obserwacji number of observation wentylacja CO [mlnm /rok] [mlnm /year] 2 3 ventilation CO 2 3 S_Na [mg/dm3] + 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Korelacja wzajemna Poprz.: Wentylacja CO OpóŸn.: S_Na Mutual correlation Prec.: Ventilation CO Delay: S_Na 2 + + 2 1,0 0,5 0,0 0,5 1,0 4 ,3877 ,2774 3 ,4942 ,2673 2 ,6370 ,2582 1 ,6722 ,2500 0 ,7527 ,2425 -1 ,6319 ,2500 -2 ,4364 ,2582 -3 ,2586 ,2673 -4 ,0649 ,2774 OpóŸnienie: Delay: Korelacja Correlation: CO (L)2 S_Na (R)+ 450 500 550 600 650 700 750
Ryc. 5. Korelacja wzajemna miêdzy szeregami iloœci wentylowanego CO2w Z. G. „Julia” i iloœci Na+w wodach leczniczych Szczawna Zdrój (ujêcie „Mieszko”)
Fig. 5. Correlation between the time series of the amount of CO2ventilated from the Mining Plant “Julia” and the content of Na+in curative waters of Szczawno Zdrój (water intake “Mieszko”)
Podsumowanie
Badanie wp³ywu eksploatacji wêgla i likwidacji zag³êbia wa³brzyskiego na wody lecznicze Szczawna Zdroju jest tematem interdyscyplinarnym i naukowo bar-dzo pojemnym. Likwidacja ca³ego zag³êbia wêglowego jest w Polsce zjawiskiem precedensowym. W œwiadomoœci ekologicznej eksploatacja górnicza kojarzy siê z regu³y z negatywnym wp³ywem na œrodowisko. Przekszta³cenia geomorfologiczne powierzchni terenu na obszarach górni-czych s¹ tego dobrze widocznym przyk³adem. Przeobra¿e-nia stosunków wodnych w œrodowisku podziemnym s¹ niewidoczne. W przypadku zag³êbia wa³brzyskiego, zloka-lizowanego w urozmaiconym krajobrazie i przylegaj¹cego do stref tektonicznych o regionalnym zasiêgu, dodatko-wym elementem w œrodowisku wodnym by³y Ÿród³a wód mineralnych, najczêœciej szczaw. Wieloletnia eksploatacja górnicza wiêkszoœæ Ÿróde³ zniszczy³a lub spowodowa³a wys³odzenie ich wód. Jedynymi, które zachowa³y siê, s¹ Ÿród³a wód leczniczych Szczawna Zdroju. W artykule przedstawiono zwi¹zek ich mineralizacji z eksploatacj¹ górnicz¹ w kopalniach wêgla kamiennego oraz wp³yw likwidacji kopalñ na migracjê endogenicznego dwutlenku wêgla odpowiedzialnego za mineralizacjê wód leczni-czych. Dotyczy to szczególnie kopalni „Thorez”, której obszar górniczy pokrywa³ siê czêœciowo z obszarem górni-czym wód leczniczych Szczawna Zdroju.
Wykonane badania hydrochemiczne i statystyczne pozwalaj¹ na sformu³owanie najwa¿niejszych wniosków:
Pomiêdzy wodami leczniczymi Szczawna Zdroju i
wodami w obszarach górniczych wa³brzyskich kopalñ wêgla nie stwierdzono podobieñstwa chemicznego i bez-poœrednich zwi¹zków hydrodynamicznych i hydroche-micznych.
Demineralizacja wód leczniczych w latach
1963–1993 by³a zjawiskiem przejœciowym, zwi¹zanym prawdopodobnie z eksploatacj¹ górnicz¹ w kopalni „Tho-rez”, a szczególnie z wentylacj¹ dwutlenku wêgla do atmosfery. Metod¹ analizy harmonicznej Fouriera wykaza-no istnienie zwi¹zku korelacyjnego pomiêdzy wentylacj¹
CO2i mineralizacj¹ wód leczniczych Szczawna Zdroju.
Szczególnie silny zwi¹zek korelacyjny jest
widocz-ny pomiêdzy wentylacj¹ CO2i mineralizacj¹ wód ujêcia
„Mieszko” z obszarem zasilania w masywie Che³mca.
Zakoñczenie eksploatacji górniczej wêgla i
likwida-cja kopalñ przez zatapianie, a szczególnie wy³¹czenie
wen-tylacji gazów kopalnianych, u³atwi¹ migracjê
endogenicznego CO2 w rejony formowania siê wód
Szczawna Zdroju. Powinno to spowodowaæ korzystne zmiany w mineralizacji wód Szczawna. W rzeczywistoœci jest to widoczne ju¿ od 1992 r.
Z³o¿a wêgla kamiennego w niecce wa³brzyskiej nie
maj¹ bezpoœredniego wp³ywu na mineralizacjê wód leczni-czych Szczawna Zdroju. Decyduje o niej endogeniczny
CO2migruj¹cy z wnêtrza ziemi ku górze i w strefach
usko-kowych o zasiêgu regionalnym docieraj¹cy do m³odych wód infiltracyjnych.
Literatura
CIʯKOWSKI W. 1990 — Studium hydrochemii wód leczniczych Sudetów polskich. Pr. Nauk. Inst. Geot. Polit. Wr., 60 (seria monogra-fie) 19.
CZABAJ W. & JARODZKI L. 1996 — Warunki hydrogeologiczne w rejonie Wa³brzycha–Szczawna Zdroju w 1995 r. (przed likwidacj¹ kopalñ wêgla kamiennego). Prz. Geol., 44: 185–190.
CZABAJ W. & JARODZKI L. 1997 — Wp³yw eksploatacji wêgla i likwidacji kopalñ wa³brzyskich na wody lecznicze w Szczawnie Zdro-ju. Prz. Geol., 45: 526–530.
DOWGIA££O J. 1978 — Pochodzenie dwutlenku wêgla w szczawach Karpat i Sudetów na obszarze Polski. Biul. Inst. Geol., 312: 191–217. FISTEK J., IWANOWSKI S., ICIEK A. & JAGODZIÑSKI A. 1975 — Badania geologiczne, geofizyczne i hydrogeologiczne jako przyk³ad kompleksowego rozwi¹zania problemu poszukiwañ wód leczniczych w uzdrowiskach sudeckich. Biul. Infor. Geofizyka, 1: 5–30.
FISZER J. 1994 — Prognoza rekonstrukcji zwierciad³a wód podziem-nych i jej wp³yw na powierzchniê terenu w obszarach górniczych kopa-lñ wa³brzyskich w nastêpstwie ich likwidacji, Wroc³aw, Arch. Polit. Wroc. Filia Wa³brzych, nr F3/F/1/94.
FISZER J. & WINNICKI A. 1999 — Konsekwencje hydrogeologiczne likwidacji wa³brzyskich kopalñ wêgla kamiennego oraz sposoby zabez-pieczenia przed ich negatywnymi skutkami. Dolnoœl¹skie Dni Nauki i Techniki Dzieñ Hydrogeologa. Konf. Naukowo-Techniczna, Lubin. KILDISZEW G. & FRENKIEL A. 1976 — Analiza szeregów czaso-wych i prognozowanie. PWE Warszawa.
KOTARBA M. 1988 — Geochemiczne kryteria genezy gazów akumu-lowanych w serii wêglonoœnej górnego karbonu niecki wa³brzyskiej. Zesz. Nauk. AGH (1199). Geologia 42.
KOTARBA M. 1990 — Geneza gazów akumulowanych w górnokarbo-ñskiej serii wêglonoœnej Dolnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego i po³udniowej czêœci Rybnickiego Okrêgu Wêglowego. Opracowanie zbiorowe pod redakcj¹ J. Litwiniszyna, t. I. Kraków Wyd. AGH. KRZOSKA T. 1970 — Warunki doprowadzania i migracji dwutlenku wêgla a potencjalne zagro¿enia wyrzutami CO2, wêgla i ska³ w
Zag³êbiu Wa³brzyskim. Prz. Górn., 26.
TEISSEYRE H. 1958 — Sedymentacja paleografia i tektonika karbonu dolnego w Sudetach Œrodkowych. Kwart. Geol., 2: 588–591.
Przegl¹d Geologiczny jest do nabycia:
— w Warszawie:Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, punkt sprzeda¿y, budynek A, pok. 1 w godz. 9–15; Kiosk na Wydziale Geologii UW, ul. ¯wirki i Wigury 93;
— w Krakowie: Kiosk Skryptów, AGH ³¹cznik A1–C1;
— w Poznaniu: Biblioteka Instytutu Geologii UAM, ul. Maków Polnych 16; — w Sosnowcu: Wydzia³ Nauk o Ziemi UŒl¹ski, ul. Bêdziñska 60.
