GEOLOGIJA 45/2, 595–598, Ljubljana 2002 Interpretacija izvora podzemnih vod v premogovniku Velenje na osnovi izotopske sestave Interpretation of groundwater origin in the Velenje coal mine on the basis of isotope composition Janko URBANC1 & Bojan LAJLAR2 1Geolo{ki zavod Slovenije, Dimi~eva 14, 1000 Ljubljana 2Premogovnik Velenje, Partizanska 78, 3320 Velenje Klju~ne besede: Slovenija, premogovnik Velenje, podzemna voda, izotopi, kisik-18, devterij Key words: Slovenia, Velenje coal mine, groundwater, isotopes, oxygen-18, deuterium Kratka vsebina Z raziskavo smo ‘eleli ugotoviti izotopske zna~ilnosti jamskih vod iz premogovnika Velenje ter opredeliti napajalna obmo~ja posameznih vodonosnikov. Glede na izotopsko sestavo kisika lo~imo v premogovniku tri zvrsti podzemnih vod. Za prvo skupino so zna~ilne vrednosti d18O okoli -9 ‰. Tak{ne vrednosti izotopske sestave kisika so zna~ilne za povr{inske vode v okolici premogovnika, zato ocenjujemo, da gre za lokalno napajanje teh vod. Drugi tip vod predstavljajo predvsem vode iz spodnjega dela pliocenskega vodo-nosnika. Povpre~na izotopska sestava kisika v teh vodah zna{a okoli -11 ‰. Izotopska sestava se torej izrazito razlikuje od izotopske sestave recentnih vod iz okolice premogovnika, kar ka‘e na starej{e fosilne vode. Za te vode je zna~ilna tudi visoka stopnja mineralizacije ter z njo povezane konduktivnosti. V tretji skupini pa so vode, katerih povpre~ne vrednosti d18O se gibljejo okoli -10 ‰. V tej skupini najdemo predvsem vode iz triasnih dolomitov. Te vode bi lahko bile me{anica recentnih ter starih vod, zaenkrat pa ne moremo izklju~iti tudi mo‘nosti, da v premogovnik dotekajo z vi{jih predelov Pa{kega Kozjaka. Abstract The aim of the investigation was to determine the isotopic properties of cave waters from the Velenje coal mine and define the recharge areas of individual aquifers. With regard to the oxygen isotope composition, groundwater in the Velenje coal mine can be classified into three types. Typical d18O values of the first type are around -9 ‰ and are found in surface waters in the vicinity of the mine, therefore it is supposed that these waters are recharged locally. The second type is represented mainly by waters from the lower part of the pliocene aquifer. The average oxygen composition of these waters is about -11 ‰. This isotope composition is considerably different from the isotope composition of recent waters from the mine’s vicinity, which leads to the conclusion that these are older, fossile waters. These waters also have a very high degree of mineralization and consequently conductivity. Waters of the third type have average d18O values around -10 ‰ and originate mainly from triassic dolomites. These waters could be a mixture of recent and old waters, but it is also possible that they flow into the coal mine from the higher areas of Pa{ki Kozjak. 596 Janko Urbanc & Bojan Lajlar Uvod Lignitna plast v premogovniku Velenje je obdana ve~inoma s pliocenskimi sedimenti, peski, melji in glinami. Talnino pliocenskih plasti tvori triasni dolomit, ju‘no od velenjskega preloma pa v talnini najdemo oligo-censko glino sivico ter smrekov{ke plasti, v katerih prevladujejo andezitni tufi (Br e z i -gar, 1985). Bolj prepustni deli pliocenskih, oligocenskih in triasnih plasti tvorijo vodo-nosnike, iz katerih doteka voda v jamske prostore. Namen {tudije je bil ugotoviti zna~ilnosti izotopske sestave kisika v vodah iz posameznih vodonosnikov ter na osnovi rezultatov opredeliti zna~ilnosti napajalnih obmo~ij teh vodonosnikov. Vzor~evanje in analize Vzor~evanje podzemnih vod je potekalo na {ir{em obmo~ju premogovnika Velenje. Vode so bile vzor~evane iz piezometrov ter vodnjakov. Z izbiro vzor~nih mest smo ‘eleli ugotoviti izotopske zna~ilnosti posameznih vodonosnikov. Vzor~evali smo v 6-mese~nih intervalih in sicer v pomladanskem in jesenskem obdobju. Na ta na~in smo ‘eleli pridobiti informacije tudi o letni amplitudi nihanja izotop-ske sestave na posameznih vzor~nih mestih. Da bi se izognili vplivom posameznih padavinskih valov na izotopsko sestavo podzemnih vod, smo vzor~evali le v obdobjih, ko predhodno vsaj nekaj dni ni bilo izrazitej{ih padavin. Vzor~evanje je potekalo na vrtinah v kvartarnih sedimentih, pliocenskem vodonosni-ku ter vodonosniku v triadnih kamninah. Za primerjavo so bili odvzeti vzorci tudi na {tirih povr{inskih vodotokih. Vzor~evanje za izotopske analize je opravila hidrogeolo{ka slu‘ba Premogovnika Velenje v sodelovanju z Geolo{kim zavodom Slovenije. Izotopske analize vod so bile opravljene v laboratoriju Joanneum Research v Gradcu, meritve konduktivnosti pa na Geo-lo{kem zavodu Slovenije. Interpretacija izvora podzemnih vod na osnovi izotopske sestave kisika v vodi Za povr{inske vode, ki so bile zajete v na~rt vzor~evanja (Paka, Lepena, Slanica in pritok potoka Klan~nica), je zna~ilna pov-pre~na izotopska sestava okoli -9 ‰. Zaradi vi{inskega izotopskega efekta smo v pov-pre~ju najbolj negativne vrednosti d18O za-bele‘ili v potoku Slanica, katerega zaledje le‘i pod vrhom Slemena na povpre~ni nadmorski vi{ini okoli 900 m. Povpre~na vrednost d18O potoka Slanica zna{a -9,1 ‰. Najbolj pozitivne vrednosti d18O pa so bile izmerjene v pritoku potoka Klan~nice v bli‘ini premogovnika, katerega povpre~na nadmorska vi{ina zna{a okoli 450 m. Povpre~na izmerjena izotopska sestava kisika pritoka Klan~nice je -8,5 ‰, Pake -9,1 ‰ in Lepene -8,9 ‰ (tabela 1, slika 1). Tabela 1: Povpre~na izotopska sestava kisika v opazovanih vodah POVRŠINSKE VODE daO (%o SMOW) Lepena -8,9 Paka -9,1 Klančnica -8,5 Slanica -9,1 KVARTAR AP-24 -8,7 AP-27 -7,8 AP-28 -8,7 Z-8 -9,3 PLIOCEN P-8tt -9,3 P-8ua -10,1 PO-lla -8,7 P-9us -8,8 PO-9k -9,0 BV-26 -11,0 BV-29 -11,1 V-9s -9,9 V-9o -10,9 V-llr -10,8 V-12z -10,8 TRIADA 2360-V -9,1 2377-11 -9,6 2391-1 -9,8 2346 -9,6 PT-12 -8,9 PT-16 -8,9 PT-17 -8,9 PT-29 -9,8 PC-5 -10,9 PC-7 -9,7 Interpretacija izvora podzemnih vod v premogovniku Velenje na osnovi izotopske sestave 597 Vode iz piezometrov, ki segajo v holo-censki vodonosnik, so po izotopski sestavi kisika podobne povr{inskim vodam, njihova povpre~na vrednost d18O se giblje okoli –9 ‰. Izstopa le piezometer AP-27, katerega voda je obogatena s te‘jim kisikovim izotopom, tako da njegova povpre~na izotopska sestava zna{a -7,8 ‰. Vzrok temu bi bil lahko neposredni vpliv padavinske vode v vzor~evanem piezometru. S PovtS.potoki D Kvartar D Pliocen ? Triadni v. Slika 1: Povpre~na izotopska sestava kisika v opazovanih vodah Figure 1: Mean oxygen isotope composition of observed waters Najbolj negativne vrednosti d18O smo izmerili v vodnjakih, ki sekajo spodnje pliocenske peske (Pl-1). Povpre~ne vrednosti d18O v teh vodah zna{ajo okoli -11 ‰. Iz primerjave z izotopsko sestavo recentnih vod bi lahko sklepali, da bi glede na lokalni vi{inski izotopski efekt te vode morale imeti srednjo nadmorsko vi{ino zaledja preko 2000 m. Ker tako visokih obmo~ij v bli‘ini premogovnika ni je jasno, da gre v tem primeru za fosilne vode iz starej{ih obdobij. O tem pri~a tudi zelo visoka mineralizacija teh vod (Mali & Veseli~, 1989, Supovec & Ulrich-Su-povec, 2001) in z njo povezana visoka kon-duktivnost (med 1000 in 2000 mS/cm). Tak-{ne vode najdemo v vodnjakih BV-26, BV-29, V-9o, V-11r ter V-12z. V vodnjaku V-9s je podzemna voda nekoliko bolj obogatena s te‘jim kisikovim izotopom iz ~esar sklepamo, da gre po vsej verjetnosti za me{anico fosilnih in recentnih vod. Predhodne raziskave so pokazale v teh vodah 14C starosti preko 10.000 let (Veseli~ & Pezdi~, 1998). V vrtinah, ki segajo le v zgornje medslojne peske PL-2 in PL-3 so vode v povpre~ju bolj obogatene z 18O, njihova povpre~na izotop- ska sestava se od predhodno opisanih vod razlikuje kar za približno 2 promila, tako da znaša povprečna vrednost (5lsO okoli -9 %o. Ker je takšna izotopska sestava značilna za recentne vode na tem področju lahko sklepamo, da se voda v peskih PL-2 in PL-3 relativno hitro obnavlja z infiltracijo lokalnih vod. V vrtinah, ki segajo v triadni vodonosnik, smo našli dva izotopsko različna tipa vod. V piezometrih 2360, PT-12, PT-16 in PT-17 smo našli izotopsko sestavo vode, kakršna je značilna za lokalne površinske vode, torej okoli -9 %o. Torej gre v tem primeru očitno za napajanje vodonosnika bodisi iz površinskih vod, npr. Pake, ali pa iz lokalno infil-triranih padavin. Druga zvrst vode, ki se pojavlja v triadnem vodonosniku, pa je osiromašena s težjim kisikovim izotopom, njena povprečna izotopska sestava kisika je okoli -10 %o. Na osnovi obstoječih podatkov zaenkrat ne moremo trditi, kakšnega izvora so te vode, po našem mnenju obstajata dve možnosti: - Mešanje recentnih vod, ki imajo izotopsko sestavo kisika okoli -9 %o s starejšimi vodami, za katere je značilna povprečna izotopska sestava kisika okoli -11 %o. - Lahko bi šlo tudi za vode, ki podzemno dotekajo z višjih predelov Paškega Kozjaka. Menimo, da bo moč na to vprašanje ugotoviti z nadalnjimi izotopskimi raziskavami, v katerih bi bil poseben poudarek dan vodam iz triadnega vodonosnika. Izotopska sestava devterija v opazovanih vodah Na osnovi meritev izotopske sestave kisika in devterija v padavinah ter tudi v površinskih in podzemnih vod sirom po svetu je znana linearna povezava med izotopsko sestavo kisika in devterija v vodi. Odvisnost imenujemo svetovna meteorološka premica GMWL (Global Water Meteoric Line) in jo izražamo z enačbo (Craig, 1961): (5D = 8*(5180 + 10 Število 10 v zgornjem izrazu imenujemo tudi devterijev ekces in se v odvisnosti od lokalnih pogojev lahko spreminja. Odstopanja od svetovne meteorološke premice lahko nastanejo iz več vzrokov, najbolj pogosto je vzrok evaporacija vode. 598 Janko Urbanc & Bojan Lajlar Izotopska sestava devterija v vzorcih podzemnih vod iz rudnika Velenje je prikazana na sliki 2. Slika kaže, da je razmerje med izotopsko sestavo kisika v vodah približno na liniji (5D = 8*(5lsO + 10. Premogovnik Velenje Premogovnik Velenje meteema premica T -65 o -70 -75 .^"" • Potoki o Kvartar 3 Pliocen • Triada -12 -11 -10 -9 -8 -7 0-18 fu Slika 2: Razmerje med izotopsko sestavo kisika in devterija Figure 2: Relation between isotope composition of oxygen and deuterium Tudi na grafu 18O/D so jasno vidne razlike v izotopski sestavi med posameznimi vodami, saj je izotopska sestava devterija v posameznih glavnih skupinah dokaj razli~na. Za pleistocenski vodonosnik so zna~ilne vrednosti izotopske sestave devterija okoli –80 ‰, v triadnem vodonosniku se ve~ina dD vrednosti giblje med –65 in –70 ‰, medtem ko zna{a izotopska sestava skupine, v kateri prevladujejo povr{inske vode in vode kvartarnega vodonosnika med 60 in –65 ‰. Primerjava med izotopsko sestavo kisika in konduktivnostjo vode _ 3000 E § 2500 3. IS 2000 a | 1500 | 1000 * 500 + -\ 0 C <9 \ c JA +±--------- A potoki ¦ kvartar o pliocen 3 triadni v. d"0 (%o) Slika 3: Razmerje med izotopsko sestavo kisika in konduktivnostjo vode Figure 3: Relation between oxygen isotope composition and water conductivity Druga skupina vod, kjer prevladujejo vode triadnega vodonosnika, ima opazno nižjo stopnjo mineralizacije, saj se povprečna kon-duktivnost giblje okoli 500 //S/cm. V tretji skupini je stopnja mineralizacije še nekoliko nižja, saj se giblje konduktivnost vode v območju pod 500 //S/cm. Na sliki 3 je opazno tudi izrazito povišanje konduktivnosti v piezometru PT-29, katerega povprečna konduktivnost presega 3000 //S/cm. Domnevamo, da gre v tem primeru za stik vode z virom CO2, ki povzroča intenzivnejše raztapljanje karbonatov v vodi. Zahvala Zahvaljujemo se Premogovniku Velenje, ki je omogo~il izvedbo raziskovalne naloge. Literatura Konduktivnost vode v ve~ini primerov od-ra‘a njeno mineralizacijo, v na{ih podnebnih pogojih predvsem koli~ino raztopljenih karbonatov v vodi. Graf na sliki 3 prikazuje razmerje med konduktivnostjo ter izotopsko sestavo kisika v vodah iz premogovnika Velenje. Iz grafa 3 je razvidno, da je bila v ve~ini primerov izmerjena vi{ja konduktivnost pri tistih vodah, ki so bolj osiroma{ene s te‘jim kisikovim izotopom. Tudi v tem primeru jasno izstopa skupina pliocenskih vod, pri katerih so bile zabele‘ene visoke konduktivnosti med 1000 in 2000 mS/cm. B r e z i g a r , A. 1985: Premogova plast Rudnika Lignita Velenje. – Geologija 28/29, 319-336, Ljubljana. C r a i g , H. 1961: Isotopic variations in meteoric waters. Science 133, 1702-1703. M a l i , N. & V e s e l i ~ , M. 1989: Dolo~anje izvora rudni{kih vod v Rudniku lignita Velenje na osnovi njihove kemi~ne sestave. – Rudarsko-me-talur{ki zbornik 36, 383-394, Ljubljana. S u p o v e c , I. & U l r i c h - S u p o v e c , M. 2001: Reambulacija metodologije razvr{~anja podzemnih vod na osnovi kemi~nih parametrov analiziranih vzorcev. Kon~no poro~ilo raziskovalne naloge, 28 pp, IRGO Ljubljana. V e s e l i ~ , M. & P e z d i ~ , J. 1998: Hydrogeolo-gical aspects of lignite mine Velenje: environmental isotope study. RMZ – Materials and Geoen-vironment 45, 192-196, Ljubljana.