Hydrogeological conditions of the Cracow sandstone series in Upper Silesian Coal Basin influenced by mining activity

The Cracow Sandstone Series (CSS), consisting mainly of coarse-grained clastic rocks (>75%), form upper lithostratigraphic series of the coal-bearing Carboniferous formations in the Upper Silesian Coal Basin (USCB). CSS covers the area of 1,500 km2. Thicknes of a formation varies from tens to 1,140 m. Exploitation of coal deposits on industrial scale of production has started since the turn of the XVIII and XIX century. Intensity of water inflows to individual mines ranging from 4.3 to 52.8 m3/min, depends on morphological, geogenic and mining factors. Within the CSS hydrogeological complex typical for sedimentary basins hydrodynamic and hydrogeochemical vertical zoning occurs. Hydrochemical as well as isotope research revealed appearance of varied zones of infiltration, mixed waters and relict brines. Prevailing significance in hydrodynamic conditions forming within the CSS have hydrodynamic barriers: overlying isolating Miocene aquitard and increasing with depth diagenesis of the Carboniferous formation. The mining activity increases the rock permeability and causes the disturbance of the natural hydrodynamic field and hydrogeochemical conditions of the CSS

Hydrogeological environment of the Paleozoic formations beneath the Productive Carboniferous in the Upper Silesian Foredeep

The investigations carried out in the deep boreholes Goczałkowice IG-1 (3353.5 m) and Sosnowiec IG-1 (3442.6 m) in the Upper Silesian Foredeep allow to recognize the hydrogeological environment of the Paleozoic strata beneath the Productive Carboniferous. The results of investigations show that geological structure controls forming of hydrodynamic and hydrochemical conditions within the Upper Silesian Foredeep and it influences diversification of hydrogeological properties, water-bearing capacity and chemical composition of groundwater of the carbonate Lower Carboniferous-Devonian and siliciclastic Cambrian formations

Factors controlling the hydrogeological environment of the Quaternary aquifer in the Upper Silesian Coal Basin

W pracy zostały rozpatrzone czynniki kształtujące środowisko hydrogeologiczne czwartorzędowego piętra wodonośnego na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W rozważaniach uwzględniono wpływ zarówno czynników naturalnych, jak i działalności człowieka na środowisko wodne.The authors determined factors influencing the hydrogeological environment of the Quaternary aquifer in the Upper Silesian Coal Basin (USCB). The discussion includes both the impact of geological factors and human activity

Brines in the Upper Silesian Coal Basin

Górnośląskie Zagłębie Węglowe jest położone w zasięgu zapadliska górnośląskiego, ukształtowanego w ramach skonsolidowanego prekambryjskiego podłoża. Zapadlisko górnośląskie stanowi basen sedymentacyjny, w którym miąższość osadów dochodzi do kilkunastu kilometrów. Basen jest wielopiętrową hydrostrukturą, w której występują utwory wodonośne od kambru do czwartorzędu włącznie. W profilu hydrogeologicznym basenu zaznacza się wyraźna strefowość hydrodynamiczna i hydrochemiczna. Środowisko hydrogeochemiczne solanek występujących w utworach trzeciorzędu oraz młodszego i starszego paleozoiku zostało udokumentowane wynikami badań składu chemicznego, gazowego i izotopowego wód do głębokości 3000 m. Solanki, o mineralizacji dochodzącej do 372 g/dm3, występują w różnych środowiskach hydrogeologicznych. Posiadają jednak szereg wspólnych cech charakterystycznych dla solanek występujących w głębokich basenach sedymentacyjnych. Są wodami pogrzebanymi, przeobrażonymi na skutek diagenezy środowiska hydrogeologicznego, położonymi w zasięgu regionalnego grawitacyjnego systemu przepływu. Obserwuje się wyraźny trend wzrostu mineralizacji wód niezależnie od wieku skał. Wyniki badań izotopowych wskazują, że solanki charakteryzują się różną genezą Solanki występujące w ilastym kompleksie trzeciorzędowym są wodami synsedymentacyjnymi; solanki występujące w utworach karbonu, dewonu i kambru są różnowiekowymi wodami paleoinfiltracyjnymi oraz wodami mieszanymi. Naturalne solanki w zasięgu wpływu oddziaływania eksploatacji górniczej, w interwale głębokości do 650-1100 m, ulegają antropogenicznemu przeobrażeniu.The Upper Silesian Coal Basin (USCB), 7,500 sq km in area (including 5,500 sq km in Poland) lies in the Silesian Variscan intermontane depression. Within this sedimentary basin the thickness of sediments reaches about 11 km. The multiaquifer formations have been identified in the hydrogeological section of the Silesian depression. It is observed a distinct hydrodynamic and hydrochemical zoning in the USCB. Hydrogeological environment of brines occurring in the Tertiary, and Upper and Lower Palaeozoic formations has been documented by results of chemical, gaseous and isotopic investigations of groundwater until the depth of 3,000 m. These brines of TDS up to 372 g/dm3 occur in different hydrogeological environments. They have some hydrochemical features characteristic for brines occurring in deep sedimentary basins. They are burried groundwaters transformed in process of hydrogeological environment diagenesis. Brines occur in range of regional flow system. There is observed a general trend of groundwater mineralization increase with depth, regardless of the stragraphic sequence. This general trend is disturbed by phenomena of hydrochemical anomalies. According to isotopic investigations brines are of different origin. Brines occurring in clayey Tertiary complex are synsedimentary waters. Brines occurring in Carboniferous, Devonian and Cambrian formations are palaeoinfiltration groundwaters of different ages as well as mixed groundwaters. Natural brines occurring in the depth interval up to 650-1100 m are being transformed by mining activity

Results of a hydrogeological study of Paleozoic rocks and bituminous symptoms in Goczałkowice IG 1 borehole (Upper Silesian Coal Basin)

Otwór Goczałkowice IG 1, o głębokości 3353,5 m, odwiercono w zachodniej części zapadliska przedkarpackiego w zasięgu Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Celem wiercenia było rozpoznanie wgłębnej budowy geologicznej zapadliska przedkarpackiego i jego środowiska hydrogeologicznego oraz zweryfikowanie hipotez możliwości występowania złóż węglowodorów w utworach podłoża karbonu górnego.Przeprowadzone badania matrycy skalnej skał zbiornikowych utworów: karbonu dolnego, dewonu, kambru i prekambru wykazały ich niską porowatość otwartą (średnio 1,25%) i przepuszczalność (na ogół poniżej 0,1 mD; k = 10–7 × 10–9 m/s).Wody występujące w badanych utworach paleozoicznych są wysoko zmineralizowanymi solankami termalnymi typu chlorkowo-sodowo-wapniowego z podwyższonymi stężeniami jodków i bromków. Są to wody reliktowe, przeobrażone w wyniku diagenezy środowiska hydrogeologicznego. Bezpośrednie badania prowadzone w otworze nie wykazały obecności wolnego gazu ani ropy naftowej w skałach zbiornikowych.Goczałkowice IG 1 borehole of 3353.5 m in depth has been drilled in the western part of the Carpathian Foredeep in range of the Upper Silesian Coal Basin. The aim of this drilling has been recognition of deep structure of the Upper Silesian depression and its hydrogeological environment as well as verification of hypothesis about hydrocarbon deposits occurrence in rocks of the Upper Carboniferous basement.Carried on investigations of rock matrix of reservoir rocks of the Lower Carboniferous, Devonian, Cambrian and pre-Cambrian showed generally its low open porosity (medium 1.25%) and permeability (medium less than 0.1 mD).Waters occurring in examined Paleozoic deposits are highly mineralized thermal brines of Cl–Na–Ca hydrochemical type with high iodides and bromides content. They are relict waters altered as a result of hydrogeological environment diagenesis. Direct investigations carried on in the borehole did not demonstrated free gas and oil occurrence in reservoir rocks

Hydrogeological environment of the Badenian formation in the western part of the Carpathian Foredeep

W artykule przedstawiono wyniki badań środowiska hydrogeologicznego utworów badenu występujących w zapadlisku przedkarpackim w SW części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Podsumowano wyniki badań w odniesieniu do budowy geologiczno-strukturalnej, właściwości hydrogeologicznych skał, układu pola hydrodynamicznego oraz środowiska hydrogeochemicznego badenu. Stwierdzono występowanie typowej dla basenów sedymentacyjnych strefowości hydrodynamicznej i hydrochemicznej. Pionowa strefowość hydrochemiczna zaznacza się wzrostem mineralizacji wód od 0,9 do 57 g/dm3 oraz zmianą typów chemicznych wód: HCO3-Cl-Na - Cl-Na - CI-Na-Ca. Zaobserwowano występowanie grawitacyjnego systemu przepływu w strukturach zrębowych oraz w głębokich rowach tektonicznych izolowanych systemów hydraulicznych wód synsedymentacyjnych. Geneza wód potwierdzona została wynikami badań izotopowych.Hydrogeological environment of the Badenian molasse formation in the south-western part of the Upper Silesian Coal Basin is described in this paper. Groundwater environment was analysed taking into account the geological structure of the sedimentary basin, hydraulic properties of rocks, development of hydrodynamic field and the results of hydrochemical, isotopic and dissolved gases investigations. Hydrodynamic and hydrochemical zonation is typical of sedimentary basins. Hydrochemical zonation of the study area is characterized by the increase of water mineralization with depth from 0.9 to 57 g/dm3, and the water chemical type change: HCO3-Cl-Na - Cl-Na - Cl-Na-Ca. Within the horst structures where thickness of the Badenian formation is reduced, a gravitational flow system takes place. In the tectonic grabens, at the depth below 500 m, buried synsedimentary waters were discovered

The origin and chemistry of gases dissolved in groundwater in the Upper Silesian Block

W artykule rozpatrzona została geneza i skład chemiczny gazów rozpuszczonych w wodach podziemnych zapadliska górnośląskiego, położonego w SE części bloku górnośląskiego. W profilu geologicznym zapadliska górnośląskiego stwierdzono kilka poziomów potencjalnego generowania bituminów. Gazy rozpuszczone w wodach powstały w różnych epokach geologicznych, zarówno na skutek termogenicznych procesów uwęglenia, jak i na skutek mikrobialnych procesów redukcji dwutlenku węgla. Dla nasycenia wód metanem podstawowe znaczenie miały termogeniczne procesy uwęglenia substancji organicznej występującej w utworach karbonu produktywnego. W pracy przyjęto, że nośnikiem gazu są wody podziemne, co nie wyklucza migracji gazu wolnego. Nasycenie wód gazami ma charakter regionalny. Wody podziemne znajdują się w basenie sedymentacyjnym w więzi hydraulicznej, przy czym w układ krążenia włączony jest proces migracji gazu. Śledząc rozwój paleohydrogeologiczny zapadliska górnośląskiego można wnioskować, że działalność orogeniczna i wynikające z niej etapy infiltracyjnego rozwoju basenu doprowadzały nie tylko do wymiany wód, lecz również do zmian ich składu gazowego. W zapadlisku górnośląskim zaznacza się wyraźna strefowość gazowa wód, charakterystyczna dla basenów sedymentacyjnych. Są to strefy: azotowa, azotowo-metanowa, metanowa i metanowo-azotowa. Geneza i skład chemiczny gazów rozpuszczonych w wodach poszczególnych stref są wzajemnie odmienne, w zasięgu określonej strefy bywają zróżnicowane. Autorzy pracy skłonni są wiązać występowanie strefowości gazowej wód ze środowiskiem hydrogeochemicznym basenu sedymentacji oraz z położeniem wód w systemie przepływu.The origin and chemistry of gases dissolved in groundwater of a regional flow system in the Upper Silesian Variscan sedimentary basin are investigated in this paper. In the geological profile of the Upper Silesian sedimentary basin, a few potential sources of gas generation occur. Gases were generated in various geological periods as a result of thermogenic coalification as well as microbial reduction of carbon dioxide. Thermogenic processes of coalification of organic matter occurring in the productive Carboniferous deposits were of the prime importance in water saturation with methane. Water saturation with gases is of a regional character. Individual groundwaters in the sedimentary basin have a hydraulic connection. Migration of gases is included in the groundwater flow system. Taking into account the paleohydrogeological development of the Upper Silesian depression, it could be concluded that the infiltrational stages of the basin development resulted not only in waters exchange but also in a change in their gaseous composition. Within the Upper Silesian depression, a distinct gaseous zonation of waters can be observed, characteristic of sedimentary basins. There are the following zones: nitrogen, nitrogen-methane, methane and methane-nitrogen. The origin and chemical composition of gases dissolved in waters of the individual zones are different, but they may also be different within the range of a particular zone. The authors assumed that the gaseous zonation of waters may be related to their location in the groundwater flow system and is correlated with the hydrogeochemical zonation

Impact of anthropogenic factors on the potable groundwater chemistry in the Upper Silesia Coal Basin (USCB)

The Upper Silesia urban-industrial region is one of the most industrialized areas in Europe, due to a concentration of mineral deposits, including hard coal, zinc and lead ores and other raw materials. Ground-water is pumped by wells and discharged by mines. Potable groundwater in this area occurs within the Neogene, Cretaceous, Triassic (over 60% of the groundwater resources) and Carboniferous formations. Within these formations, 16 major aquifers fit the quantitative and qualitative criteria proposed by Kleczkowski (1990) and extend over the total area of about 3257 km 2). Within the Pleistocene formation, nine major aquifers of porous character have been identified. They are situated in the areas of buried valleys and modern river valleys. The TDS content ranges from 47 to 1374 mg/L. More than 80% of samples represent quality classes II and III in the four-class scale of water quality, because of urban and industrial impacts. Within the Triassic carbonate forma-tion, five major aquifers have been identified in fractured–karstic–porous dolomites and limestones. This water-bearing complex is overlain partly by impermeable Keuper clays and by permeable Holocene and Pleistocene sediments. The TDS values vary from 103 to 1519 mg/L. Generally groundwater in the Triassic aquifers is of a better quality (classes I and II). Poor quality water (classes III and IV) occurs only within Zn–Pb ore mining areas and in the areas impacted by urban agglomerations. The groundwater occurring in Carboniferous sandstones is generally of poor quality due to mining impact. Therefore, no major aquifers have been distinguished in the Carboniferous strata

Poland in World Karst Aquifer Mapping Project (WOKAM)

The article presents World Karst Aquifer Mapping Project (WOKAM). The goal of this project, implemented in 2012– 2015, is to establish the first karst aquifer world map, presenting karst aquifers, most important water intakes, karst springs and caves. Selection criteria of the karstic objects were discussed in the paper. Database, created on their basis covering the area of Poland, includes: 17 water intakes (extracting mainly from the Triassic carbonate aquifer of Silesian – Kraków monocline), 7 springs (including 5 vaucluses from Tatra Mountains), 23 caves (located mainly in Western Tatra Mountains and in Kraków – Wieluń Upland). There is a probability of location of individual hydrogeological objects from Poland on the world karst aquifer map considering the importance of the region

Estimation of groundwater residence time using environmental radioisotopes (¹⁴C,T) in carbonate aquifers, Southern Poland.

Triassic carbonate aquifers in the Upper Silesia region, affected by intense withdrawal, have been investigated by means of isotopic analyses of (14)C, δ(13)C, δ(2)H, δ(18)O and (3)H. The isotopic examinations were carried out in the 1970s and in the early 1980s, and it was the first application of tracers to estimate age and vulnerability for the contamination of groundwater in this region. Similar isotopic analyses were conducted in 2007 and 2008 with the same Triassic carbonate formation. The isotopic examinations were performed within the confined part of the carbonate formation, wherein aquifers are covered by semi-permeable deposits. The direct recharge of the aquifer occurs in the outcrop areas, but it mainly takes place due to percolation of the water through aquitards and erosional windows. The Triassic aquifer has been intensively drained by wells and by lead-zinc mines. Nowadays, the declining water demand and closure of some mines have induced a significant increase in the water table level. The detailed analysis of the results, including the radiocarbon age corrections and the comparison of radioisotope activities, has made it possible to estimate the range of residence time within the carbonate Triassic aquifer. This range from several tens to several tens of thousands indicates that the recharge of aquifers might have occurred between modern times and the Pleistocene. The apparent age of the water estimated on the basis of (14)C activity was corrected considering the carbon isotope exchange and the diffusion between mobile water in fractures and stagnant water in micropores. The obtained corrected period of recharge corresponds to the result of investigations of noble gases, which were carried out in the 1990s. In almost half of the cases, groundwater is a mixture of young and old water. The mixing processes occur mainly in areas of heavy exploitation of the aquifer