background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 53, 4, BRATISLAVA, AUGUST  2002

257—268

GEOLOGICAL AND ISOTOPIC EVIDENCE OF DIAGENETIC WATERS

IN THE POLISH FLYSCH CARPATHIANS

NESTOR OSZCZYPKO

1

 and ANDRZEJ ZUBER

2

1

Jagiellonian University, Institute of Geological Sciences, Oleandry 2a, PL-30063 Kraków, Poland; nestor@geos.ing.uj.edu.pl

2

Institute of Nuclear Physics, Radzikowskiego 152, PL-31342 Kraków, Poland; zuber@novell.fjt.agh.edu.pl

(Manuscript received June 21, 2001; accepted in revised form December 13, 2001)

Abstract: The origin of CO

2

-rich chloride waters in the Polish Flysch Carpathians is the subject of controversies. They

often  contain  a  non-meteoric  component,  with  isotopic  composition  characteristic  for  dehydration  waters  released  in
metamorphic processes, that is 

δ

18

≅ 

+6.5 ‰ and 

δ

2

 —25 ‰. However, comparison with other known occurrences of

waters of a similar isotopic composition suggests that they mainly result from the transformation of smectites to illities
during the burial diagenesis of flysch sediments. These waters are characterized by high chloride contents (up to about
14 g/l), which differ in different regions, and remain difficult to explain as the 

δ

18

O and 

δ

2

H values are slightly scattered

and do not show any distinct contribution of marine water. It is shown that such waters are also characterized by high
ratios of Na

+

/Cl

 and B/Cl

, which can be useful in their identification. Particularly interesting waters occur in the four

deepest wells of the Krynica Spa, which undoubtedly contain a non-meteoric chloride component. Their positions on

δ

18

O-

δ

2

H diagrams are scattered to the left from a typical mixing line of meteoric waters with dehydration waters, which

makes  it  difficult  to  determine  their  origin.  However,  they  can  be  regarded  as  containing  different  percentages  of  a
dehydration component because their Cl

-

δ

2

H relation is linear and similar to typical mixing lines of dehydration waters

with  meteoric  waters.  The  untypical  positions  of  these  waters  on  the 

δ

18

O-

δ

2

H  diagram  can  be  explained  by  isotopic

shifts of 

δ

18

O from a typical mixing line to more negative values, supposedly caused by isotopic exchange of oxygen

between CO

2

 and water. In that process, small volumes of water are involved, as deduced from very slow flow rates in

rocks of a low porosity, and a large amount of CO

2

, as deduced from very high pressures measured at well heads, and an

eruption of CO

2

, which occurred during drilling one of the wells.

Key words: Western Carpathians, flysch, burial diagenesis, metamorphic water, diagenetic water, carbon dioxide, chloride
water, hydrogen isotopes, oxygen isotopes.

Introduction

The presence of increased chloride contents in mineral waters
of the Polish Outer Carpatians (POC) was generally thought to
be the remnant of marine sedimentation water (e.g. Dowgiałło
1976). First isotope determinations of CO

2

 rich chloride wa-

ters from Wysowa and several other sites indicated the pres-
ence of water resulting probably from the dehydration of clay
minerals in metamorphic processes (Dowgiałło 1980; Leśniak
1980; Dowgiałło & Leśniak 1980). That hypothesis was based
on the works of White et al. (1973) and Taylor (1974). Howev-
er,  contrary  to  White  et  al.  (1973),  Leśniak  (1980)  and
Dowgiałło  (1980)  assumed  the  dehydration  waters  to  be  by
definition  fresh,  and  the  salt  component(s)  to  result  from  an
admixture of connate water. In some cases, the chloride com-
ponent was related to sedimentation water migrating from Mi-
ocene formations covered by the Carpathian overthrust. That
two-component primary mixing was supposed to take place in
the  past  on  a  regional  scale,  whereas  the  secondary  mixing
with local meteoric water was shown to be a modern process
(Leśniak 1980). A contribution of paleoinfiltration water with
an isotopic composition different than that of the modern pre-
cipitation  was  also  suggested  (Dowgiałło  1980;  Leśniak
1980).  Zuber  &  Grabczak  (1985a,  1986,  1987)  were  critical
about  the  hypothesis  on  the  regional  mixing  of  dehydration
and marine waters, because there are no physical mechanisms
of regional mixing which would yield the same 

δ

18

O—

δ

2

H val-

ues at different sites with large differences in chloride content.
The similarity of the isotopic composition of dehydration wa-
ters in the POC to dehydration waters known in other world
regions is also difficult to explain by the mixing hypothesis. It
is  highly  improbable  that  waters  in  different  regions  of  the
world mix in such a way that the same isotopic composition is
produced.  In  addition,  for  the  hypothesis  of  regional  mixing
with marine water, it was necessary to assume the initial 

δ

18

O

value of the dehydration water to be equal to +25 ‰ (Leśniak
1980;  Dowgiałło  &  Leśniak  1980).  Such  a  high 

δ

18

O  value

would require a high-grade metamorphism, as can be deduced
from the isotopic composition of bound water in clay minerals
(Taylor 1974) and from fractionation factors given by Fried-
man & O’Neil (1977). No evidence for either such metamor-
phism or such high 

δ

18

O values exists in the POC.

In the Krynica Spa, four deep wells (670—919 m) withdraw

CO

2

-rich  waters  of  HCO

3

—Na  type,  with  increased  Cl

  and

Mg

2+

  contents.  They  are  called  the  Zuber  waters  after  the

name of their discoverer, Prof. Rudolf Zuber, or chloride CO

2

-

rich  waters  to  distinguish  them  locally  from  other  CO

2

-rich

waters with low Cl

 contents. The Zuber waters were general-

ly thought to be of connate origin mainly due to the presence
of elevated contents of chlorides, the large depths of their oc-
currences,  and  very  low  outflow  rates  (Świdziński  1972;
Pazdro 1983). However, preliminary stable isotope determina-
tions  yielded  values  close  to  the  world  meteoric  line  and  far
from the value of SMOW, suggesting a meteoric origin with a

background image

258                                                                                  OSZCZYPKO and ZUBER

possible  replenishment  (Dowgiałło  1973).  Later  Dowgiałło
(1980) regarded the Zuber waters as the result of three-compo-
nent  mixing  between  connate  water  of  the  flysch  sediments
with the dehydration water of metamorphic origin, later dilut-
ed by very old meteoric water of a distant recharge area. Ac-
cording  to  that  hypothesis,  their  replenishment  ability  was
rather  questioned.  Zuber  &  Grabczak  (1985a,  1986)  were  in
favour of a dominant role of an old meteoric component, with-
out  explaining  the  origin  of  the  elevated  chloride  contents.
Zuber  (1987)  was  in  favour  of  two-component  mixing  be-
tween dehydration and old meteoric waters, with diagenesis as
a possible source of the chloride water component.

Within  the  present  work  it  will  be  shown  that  none  of  the

above mentioned hypotheses related to the origin of dehydra-
tion waters in the Polish Outer Carpathians (POC) in general,
and to the Zuber waters in particular, was quite correct. The
isotope and hydrochemical data of typical chloride waters in
Poland will be recalled, and against that background the char-
acteristic features of dehydration waters in the POC indicated.
For a more complete comparison, selected examples of well-
known world occurrences of dehydration waters will also be
given. It will be shown that the dehydration of clay minerals in
diagenetic  transformations  is  possible  considering  the  maxi-
mal depths of sediments obtained by the reconstruction of the
burial history of the flysh basin in the Krynica area.

Geological setting

The Polish part of the Outer Carpathians (POC) are mainly

composed of the flysch sediments deposited through the Late
Jurassic to the Early Miocene. They were deposited by gravi-

tational flows in a deep-sea environment. The flysch sequenc-
es  consist  of  sandy-clayey  deposits,  which  derive  from  mar-
ginal  and  intra-basinal  tectonic  lands  intermittently  uplifted
and  eroded.  The  flysch  sedimentation  took  place  in  several
sub-basins,  which  were  transferred  during  the  Late  Eocene
through  to  Early  Miocene  tectonic  movements  into  separate
tectono-stratigraphic  units.  The  POC  were  built  up  from  a
stack  of  nappes  and  thrust-sheets,  completely  uprooted  from
their  basement.  From  the  south  to  the  north  there  are:  the
Magura  Nappe,  the  Fore-Magura-Dukla  group  of  units,  the
Silesian  Nappe,  the  Sub-Silesian  Unit,  and  the  Skole  Nappe
(Fig. 1).

The POC are flatly overthrust onto the Middle Miocene de-

posits of the Carpathian Foredeep. As a consequence, a narrow
zone of folded Miocene deposits developed along the frontal
Carpathian thrust (Fig. 1). The thickness of the Carpathian ac-
cretionary wedge is documented by boreholes and varies from
a few hundred metres at the front of the orogeny to more than
7 km in the Kuźmina-1 borehole (S of Przemyśl). The extent
of  the  Carpathian  overthrust  varies  from  about  60  km  at  the
Kraków meridian (Figs. 2 and 3) to about 100 km at the Kros-
no meridian (Oszczypko 1998). In areas where mineral waters
with a non-meteoric component occur the thickness of the Car-
pathian nappes is as follows: 2.5—3 km in Słona and Bieśnik;
4—4.5 km in Ciężkowice and Sól; 5—6 km in Sidzina, Rabka,
Poręba  Wielka  and  Szczawa;  and  8—10  km  in  Krościenko,
Szczawnica, Złockie, Krynica, Wysowa, Lubatówka, Iwonicz
and Rymanów (Figs. 1 and 2). In Ciężkowice, Poręba Wielka,
Złockie,  Krynica,  Lubatówka  and  Iwonicz  such  waters  were
found only in deep wells (up to about 1000 m), whereas in oth-
er  locations,  they  occur  in  both  springs  and  shallow  wells.
Chloride  waters  rich  in  CO

2

  also  outflow  at  the  areas  where

Fig. 1. Geology of the Polish Carpathians (after Oszczypko et al. 1999, supplemented). 1 – crystalline core of the Tatra Mts, 2 – High Tatra
and sub-Tatra units, 3 – Podhale flysch, 4 – Pieniny Klippen Belt, 5 – Magura Nappe, 6 – Grybów Unit, 7 – Dukla Unit, 8 – Fore-
Magura Unit, 9 – Silesian Nappe, 10 – Sub-Silesian Unit, 11 – Skole Nappe, 12 – Sambor-Rożniatov Unit, 13 – Miocene deposits upon
the Carpathians, 14 – Zgłobice Unit, 15 – Miocene deposits of the Carpathian Foredeep, 16 – andesites, 17 – area of Krynica Spa, 18 –
cross-section, 19 – occurrences of discussed waters, 20 – state border.

background image

DIAGENETIC WATERS IN THE POLISH FLYSCH CARPATHIANS                                              259

Fig. 2. Sketched map of the platform basement of the Polish Outer Carpathians (after Oszczypko 1998, supplemented). 1 – Proterozoic ig-
neous rocks, 2 – Lower Cambrian and Vendian slates, 3 – Lower Cambrian, 4 – Devonian to Upper Carboniferous, 5 – Triassic, 6 – Ju-
rassic, 7 – Upper Cretaceous, 8 – depth to magneto-telluric basement, 9 – zero line of Wises vectors, 10 – axis of gravimetric minimum,
11 – southern extent of area recognized by boreholes, 12 – Carpathian overthrust, 13 – faults, 14 – occurrences of discussed waters.

Fig. 3. Deep geological cross-section through the Polish Carpathians. – upper trench, 2 – lower crust, 3 – upper crust, 4 – Paleozo-
ic, 5 – Mesozoic, 6 – Paleogene and Lower Miocene, 7 – Badenian and Sarmatian, 8 – Sub-Silesian and Silesian Units, 9 – Dukla
and Grybów Units, 10 – Siary and Rača Subunits of Magura Nappe, 11 – Bystrica Subunit of Magura Nappe, 12 – Krynica Subunit of
Magura Nappe, 13 – Pieniny Klippen Belt, 14 – Vahicum, 15 – Tatricum, 16 – Fatricum, 17 – Podhale flysch, 18 – high resistivity
basement (after Żytko 1997), 19 – low-resistivity horizon (after Żytko 1997), 20 – isotherms, 21 – faults and overthrusts, 22 – bore-
holes, 23 – CO

2

 ascension, M – Moho, KD – Krynica dislocation.

background image

260                                                                                  OSZCZYPKO and ZUBER

the  present  thickness  of  flysch  sediments  is  not  more  than  3
km  (springs  in  Słona  and  Bieśnik,  artesian  deep  well  in
Ciężkowice, see Fig. 2).

Numerous andesite dykes and sills occurring in the Czorsz-

tyn-Szczawnica area at the front of the Pieniny Klippen Belt
(Fig.  1)  cut  the  Upper  Cretaceous-Paleogene  rocks  of  the
Magura Nappe (Birkenmajer 1986). These small intrusions are
of Middle Miocene age, 11—13 Ma (Birkenmajer & Pécskay
1999),  and  were  formed  in  the  course  of  the  Late  Badenian/
Sarmatian subduction event. During the post-Sarmatian under-
plating of the European Platform beneath the Slovak-Pannon-
ian Block, these andesites were probably uprooted from their
basement. According to some opinions the CO

occurrence in

Szczawnica  could  be  related  to  the  presence  of  the  andesite
dykes, suggesting its mantle origin. However, both the uproot-
ing of the intrusions and the hydrochemistry of mineral waters
in Szczawnica, which show no relation to andesites (Leśniak
1998), contradict that hypothesis.

The basement of the POC represents the epi-Variscan plat-

form and its cover (Fig. 2). The magneto-telluric soundings in
the POC revealed a high resistivity horizon (Fig. 3) at the top
of  the  consolidated-crystalline  basement  (Ryłko  &  Tomaś
1995;  Żytko  1997).  On  the  Bochnia-Krynica  geotravers  the
magneto-telluric  basement  is  inclined  to  the  south  from  the
depths  of  5—6  km  in  the  northern,  marginal  part  of  the  Car-
pathians, to the depths of 10—12 km south of Nowy Sącz. The
depth of the Krynica basement varies from 15 to 20 km, and
rises to 8—10 km at the Polish-Slovak boundary (Figs. 2 and
3). The magneto-telluric soundings also reveal a low resistivi-
ty zone (0.5—4.0 ohm), which is located south of the gravity
minimum. In the Krynica area, this zone has the thickness of
about 2.5—3 km and is located in two buried grabens, a few km
above the consolidated basement (Fig. 3). According to Jan-
kowski et al. (1985), the low resistivity anomaly indicates the
occurrence  of  highly  mineralized  waters  at  great  depths,
whereas according to Żytko (1997) it results from the graphiti-
zation  on  the  contact  between  the  North  European  Plate  and
the Slovak Microplate.

A  similar  anomaly  was  found  at  depths  of  10—20  km  be-

neath the Island of Taiwan, and was supposed to correlate with

the  inferred  depth  of  dehydration  reactions  at  the  top  of  the
aseismic lower crust (Chen & Chen 1998).

The Krynica Spa is located in the south-eastern part of the

Magura  Nappe  at  the  boundary  between  the  Bystrica  and
Krynica Subunits (Figs. 1 and 4). The Bystrica Subunit is built
up of the Middle to Upper Eocene Magura Formation (Figs. 4
and 5). The Magura Formation consists of thick-bedded sand-
stones (Maszkowice Member), variegated shales and thin-bed-
ded turbidites (Mniszek Member), and the Poprad Sandstone
Member  known  only  from  the  deep  boreholes  (Zuber  I—IV).
The Krynica Subunit is composed of Upper Cretaceous to Up-

Fig.  4.  Geological  map  of  the  Krynica  area  (after  Oszczypko  et  al.
1999). Krynica Subunit: 1 – Szczawnica Formation, 2 – Zarzecze
Formation, a – Krynica Sandstone Member, 3 – Magura Formation,
Piwniczna  Sandstone  Member;  Bystrica  Subunit:  Magura  Forma-
tion,  4  –  Maszkowice  Sandstone  Member,  5  –  Mniszek  Shale
Member,  6  –  Poprad  Sandstone  Member,  visible  only  in  the  cross-
section, 7 – Pleistocene, 8 – faults, 9 – cross-section, 10 – select-
ed boreholes.

Fig. 5. Geological cross-section (after Oszczypko et al. 1999). Krynica Subunit: 1 – Szczawnica Formation, 2 – Zarzecze Formation,
a  –  Krynica  Sandstone  Member,  3  –  Magura  Formation,  Piwniczna  Sandstone  Member;  Bystrica  Subunit:  Magura  Formation,  4  –
Maszkowice  Sandstone  Member,  5  –  Mniszek  Shale  Member,  6  –  Poprad  Sandstone  Member,  7  –  faults,  8  –  selected  boreholes,
KD – Krynica dislocation, TD – Tylicz dislocation.

background image

DIAGENETIC WATERS IN THE POLISH FLYSCH CARPATHIANS                                              261

per Eocene deposits (Birkenmajer &   Oszczypko 1989; Osz-
czypko et al. 1999). The oldest deposits are known from the
Muszyna-Zlockie area, 5 km west of Krynica. They consist of
the  Turonian-Maastrichtian,  deep-water  variegated  shales
(Malinowa  Formation)  with  sporadic  intercalations  of  thin-
bedded  sandstones  (Oszczypko  et  al.  1990).  That  formation
passes upwards into strongly tectonized, medium to thin-bed-
ded turbidites of the Paleocene and Lower Eocene (Szczawni-
ca  Formation),  which  are  rich  in  calcite  veins  (Figs.  4,  5).
Higher up in the succession, thin-bedded turbidites occur, with
intercalations  of  thick-bedded  sandstones  and  conglomerates
of  the  Lower-Middle  Eocene  (Zarzecze  Formation).  In  the
Krynica Spa the youngest deposits of the Krynica Subunit be-
long to the thick-bedded sandstones of the Magura Formation
(Middle-Upper  Eocene).  The  stratigraphic  thickness  of  the
Magura  Nappe  reaches  at  least  2.6  km.  During  overthrust
movements and tectonic repetitions, the total thickness of the
flysch  deposits  in  the  Krynica  Subunit  increased  up  to  5.5—

7.5 km,  as  is  shown  by  magneto-telluric  investigations
(Fig. 3). The Bystrica and Krynica Subunits contact along the
sub-vertical  thrust  fault,  which  dips  to  NE  (Figs. 4  and  5).
Three NE-SW trending transversal faults cut both the Bystrica
and Krynica Subunits into several blocks.

The Late Cretaceous to the Upper Eocene flysch formations

of the Krynica succession were deposited in a deep-water ba-
sin (Oszczypko 1992). Since the Early Eocene, in the southern
part of the Magura Basin the sedimentary processes were ac-
companied  by  the  growth  of  the  accretionary  wedge  (Osz-
czypko 1999). Gradual shallowing of the basin started during
the Late Eocene. This was followed by the folding and uplift-
ing of the basin after the Late Oligocene—Early Miocene, and
prior to the Late Miocene.

The Late Cretaceous-burial history of the Krynica succession

of  the  Magura  Basin  has  been  reconstructed  using  the  proce-
dures developed by Angevine et al. (1990) and Allen & Allen
(1992). The subsidence plot (Fig. 6) shows the fluctuation of pa-

Fig. 6. Backstripped burial diagram of the Krynica succession of the Magura Basin (partly after Oszczypko 1999). 1 – basinal and hemi-
pelagic  deposits,  2  –  pelagic  marls,  3  –  thin-bedded  turbidites,  4  –  thick-bedded  turbidites,  5  –  eroded  part  of  section  (minimal
amount), 6 – paleobathymetry, 7 – tectonic subsidence, 8 – strata with mineral waters.

background image

262                                                                                  OSZCZYPKO and ZUBER

leobathymetry  and  tectonic  subsidence  (see  also  Oszczypko
1999). During the Middle Eocene time the basal portion of the
Krynica succession could have been buried at a depth of 6 km
beneath the sea level with temperatures of 150—200 °C and pres-
sures of about 100 MPa. The present temperatures at the base of
the Magura Nappe in the Krynica area are probably similar to
those of the Krynica succession during the maximal burial (Fig.
3), whereas the pressures are probably higher (120—160 MPa).
The Krynica Subunit probably covers relatively younger sedi-
ments  of  the  Dukla—Grybów  Units.  These  deposits  may  per-
haps still undergo dehydration processes.

Contrary  to  other  tectonic  units  of  the  Outer  Carpathians,

the  Magura  Nappe  is  free  of  hydrocarbons  (Karnkowski
1999). Only traces of hydrocarbons were discovered in the sa-
line  fluid  inclusions  of  the  quartz  overgrowths  in  the  Szcza-
wnica  Formation  (Świerczewska  et  al.  1999).  This  suggests
that  Magura  Nappe  deposits  were  buried  beneath  the  lower
limit of the main oil generation zone (oil window), with labile
kerogen cracked to gas at the temperature exceeding 150  °C
(compare Allen & Allen 1993).

The burial depths of the Magura Nappe deposits was proba-

bly greater than those of the more external units as it can be as-
sumed  from  a  higher  illite  to  smectite  ratio  in  the  Magura
Nappe (Dudek & Świerczewska 2001). According to the latter
studies the Magura Nappe deposits were affected by the strong
diagenesis  at  temperatures  higher  than  165  °C  in  the  middle
part and about 120—165 °C in other areas of the unit. The ad-
vanced diagenesis of the Oligocene deposits of the Grybów—
Dukla Units exposed in the tectonic windows in the Magura
Nappe was also reported (Dudek & Świerczewska 2001).

The  present  temperatures  at  the  base  of  the  flysch  nappes

vary from about 100 °C in the Bochnia area to about 300 °C in
the Krynica area (Fig. 3), as deduced from the geothermal gra-
dient of 26

 

°C/km (Leško et al. 1987).

Hydrogeological setting

Mineral waters discussed within the present work are locat-

ed  along  two  belts  in  the  Silesian  and  Magura  Nappes.  The
mineral waters of the Silesian Nappe area occur in the follow-
ing  locations:  Słona,  Bieśnik,  Ciężkowice,  Lubatówka,
Iwonicz, and Rymanów (Fig. 1). The occurrences of mineral
waters  in  the  Magura  Nappe  can  be  subdivided  into  two
groups.  Waters  of  Szczawa,  Poręba  Wielka,  Rabka,  Sidzina
and  Sól  are  strongly  related  to  the  tectonic  windows  of  the
Dukla—Grybów  Units,  whereas  the  waters  of  Szczawnica,
Krościenko, Złockie, Krynica and Wysowa occur in the south-
ern, deep-seated part of the Magura Nappe (Figs. 2, 3 and 5).

In the southern part of the Magura Nappe, abundant carbon

dioxide occurrences are observed in both mineral waters and
dry exhalations. As discussed further, these CO

2

 occurrences

are supposed to result from the thermal decomposition of car-
bonate  rocks,  which  begins  at  temperatures  of  185—190  °C
(Mason 1990). The migration of dehydration waters and CO

2

to  the  surface  is  enhanced  by  numerous  faults.  The  upward
flow of water results from pressures higher than hydrostatic.
No changes in the flow rates of dehydration waters and CO

2

are observable. Therefore, their supply can be regarded as con-
stant in terms of human generations.

In the Krynica Spa particularly favourable conditions exist

for  the  relatively  deep  penetration  of  meteoric  waters  due  to
many faults and strong folding of the Szczawnica Formation
(Paleocene to Lower Eocene, see Figs. 4 and 5). Most proba-
bly the faults also play a dominant role in the migration of CO

2

and dehydration waters to the surface. A large amount of CO

2

is also trapped in the Poprad Sandstone Member of the Magu-
ra Formation at the depths of 400—1000 m at the tectonic con-
tact  of  the  Bystrica  and  Krynica  Subunits  (Fig. 5).  In  1938
there was a strong eruption of CO

2

 during the drilling of the

Zuber II well at the depth of 950 m (Świdziński 1972). In the
Krynica area, during the post-nappe time, the long-lasting in-
teraction (around 10 Ma, see Oszczypko 1998) between CO

2

-

rich waters and rocks caused dissolution of the sandstone ce-
ment  and  an  increase  of  the  porosity  of  sandstones  in
comparison with other areas. This can be observed in the ex-
posures,  where  the  sandstones  and  conglomerates  of  the
Krynica Member are weakly consolidated or fully disintegrat-
ed to sands and gravels (Oszczypko et al. 1999).

Isotope and chemical data of selected waters of

dehydration origin

The typical isotopic composition of CO

2

-rich chloride wa-

ters from several spas in the POC is shown in Fig. 7. The theo-
retical ranges of the isotopic composition of metamorphic wa-
ters given in Fig. 7 are taken from Taylor (1974) and Kerrich
(1987), though Sheppard (1986) reports somewhat wider val-
ues to include possible occurrences of dehydration waters of
the oceanic crust. CO

2

-rich dehydration waters also occur in

Slovakia,  though  to  the  best  knowledge  of  the  authors,  their
end members with 

δ

18

+5.5 ‰ have not been found so far

in that country. However, on the basis of similarity of the Slo-
vak  waters  to  those  of  the  Pacific  tectonic  belt  of  the  west
coast  of  the  United  States,  Barnes  &  O’Neil  (1976)  thought
that they contained a metamorphic component.

The  Cl

-

δ

18

O  relationships  for  waters  shown  in  Fig. 7  are

given in Fig. 8 (similar relations exist for Cl

-

δ

2

H). As men-

tioned  above,  in  spite  of  similar  isotopic  composition  of  the
dehydration component, highly different Cl

 contents are ob-

served in different regions, which is difficult to explain by any
mixing hypothesis.

In Table 1 chemical and isotope data of selected mineral wa-

ters are given. The first group represents examples of the non-
Carpathian  waters,  which  are  supposed  to  be  of  dehydration
origin.  The  second  group  represents  similar  waters  from  the
POC. The third group represents chosen examples of oil-field
waters in the Polish Carpathians, which most probably contain
a  dehydration  component.  The  next  three  groups  represent
mineral waters of different origin in Poland. They are given to
demonstrate typical differences from dehydration waters both
in isotopic composition and hydrochemistry. An example from
Krosno is also included just to demonstrate the occurrences of
chloride  waters  of  other  origin  in  the  POC.  The  last  group
(VII)  represents  the  chloride  waters  of  Krynica,  called  the
Zuber  waters,  which  are  supposed  to  contain  different  frac-
tions of a dehydration component as shown further.

In the California Coast Ranges, White et al. (1973) regarded

as  metamorphic  waters  only  those  with  a  relatively  low  Cl

background image

DIAGENETIC WATERS IN THE POLISH FLYSCH CARPATHIANS                                              263

content (up to about 700 mg/l) in the end component (Sulphur
Bay Springs, see Table 1). In spite of the same isotopic com-
position, waters from Wilbur Springs, with Cl

 content close

to 10,000 mg/l were supposed to be related to marine waters
diluted  by  ancient  meteoric  waters.  Following  White  et  al.
(1973)  and  Taylor  (1974),  waters  with  their  end  component
close to about 

δ

18

O = +6 ‰ and 

δ

2

H = —25 ‰ are often re-

garded as being of metamorphic origin (e.g. Sheppard 1986;
Kerrich 1987). However, contrary to these opinions, in an ex-
cellent  review,  Longstaffe  (1987)  indicates  the  possibility  of
diagenetic origin for such waters. That opinion is mainly based
on the results of Yeh & Savin (1976, 1977), and Yeh (1980),
obtained for samples taken from deep drill cores of shales and
mudstones in the Gulf Coast, and of Suchocki & Land (1983)
for samples from the Great Valley sequence in northern Cali-
fornia.  Findings  of  these  authors  can  be  summarized  as  fol-
lows.  The  dehydration  of  argillaceous  units  mainly  results
from the transformation of smectite to illite during burial di-
agenesis at depths of about 3—6 km. Most probably the late-
stage dehydration of smectite to illite buffers the oxygen and
hydrogen  isotope  composition  of  the  formation  water  from
that similar to seawater (0 ‰) at shallow depths to values of

about  +7  ‰  and  —25  ‰,  respectively,  at  large  depths.  The
buffering  mainly  results  from  dehydration  and  isotopic  ex-
change,  and  perhaps  also  from  membrane  filtering  effects
when pore water is pushed out upwards by dehydration water.
The dehydration leads to dilution of the pore waters whereas
the membrane effects cause the enrichment of the residual wa-
ter in dissolved constituents as Kharaka & Berry (1973) report.
Water-rock  interaction  undoubtedly  also  leads  to  the  enrich-
ment  in  dissolved  constituents,  especially  in  the  presence  of
CO

2

. In the case of smectite-illite transformation, modelling of

formation water in temperatures from 75 to 175

 

°C yields the

δ

18

O  values  from  about  +5  ‰  to  about  +9  ‰  (Suchocki  &

Land 1983; Longstaffe 1987). As no isotopic signatures of the
original pore waters (marine or meteoric) are preserved, the fi-
nal formation water can be regarded as being of dehydration
origin. Dehydration waters resulting from diagenesis or meta-
morphic processes are called within this work diagenetic and
metamorphic waters, respectively.

Dehydration waters should not be regarded as free of chemi-

cal  components  because  during  the  smectite  illitization  not
only  large  amounts  of  water  and  OH

  groups,  but  also  Na

+

,

Ca

2+

, Mg

2+

 and other ions are released (Boles & Franks 1979).

In clay minerals Cl

, Br

, and I

 occupy some positions of OH

ions, and most probably they can also be released. As a conse-
quence, diagenetic waters are mineralized even if the chemical
components  of  the  original  pore  water  are  not  preserved.  In
any case, the illitization process contributes to the hydrochem-
istry of diagenetic waters, and high Na/Cl ratios can be expect-
ed.  In  fact  the  molar  ratio  of  Na

+

  to  Cl

  is  larger  than  1  for

chloride waters of diagenetic origin, and can serve as a criteri-
on  helpful  in  the  identification  of  such  waters  (see  Table 1).
However, caution is needed because that criterion is not unam-
biguous as values somewhat larger than 1 can also be observed
for chloride waters resulting from leaching of salts (see exam-
ples of the V group in Table 1). The weight ratio of B to Cl

shown  in  Table  1  also  seems  to  be  a  useful  criterion  for  the
identification of chloride waters of diagenetic origin. Its value
is larger than 2 ‰ in the case of dehydration waters, and usual-
ly below 2 ‰ in other cases. Most probably some amount of
boron is also released in the smectite to illite transformation.

In spite of large differences in chemical composition, espe-

cially in Cl

 content, all the waters regarded within this work

as being of dehydration origin have similar isotopic composi-
tion  of  the  non-meteoric  end  members  (Table  1  and  Fig. 7).
These  end  members  fall  within  the  ranges  of  the  theoretical
isotopic  composition  of  metamorphic  waters,  and,  as  shown
above,  are  also  typical  for  waters  released  during  burial  di-
agenesis of clay minerals. Such waters also include mixed wa-
ters from the South German Molasse Basin, with the non-me-
teoric  end  member  represented  by  water  from  Bad  Endorf
(Table 1),  which  results  from  diagenesis  of  shales  (Stichler
1997). Similarly, no evidence of any regional metamorphism
has been found in the POC (deep borehole Kuźmina 1), even
at  depths  of  up  to  6842  m  (Żytko 1989).  However,  as  men-
tioned  above,  deep  geomagnetic  soundings  performed  in  the
Western Carpathians suggest the presence of highly mineral-
ized waters in a belt related to two deep grabens seen in Fig. 3.
Therefore,  the  presence  of  metamorphic  processes  at  large
depths  cannot  be  excluded,  though  it  is  not  regarded  as  the
main source of the discussed waters.

Fig. 8. Cl

-

δ

18

O relations for selected Carpathian sites showing the

mixing  of  dehydration  and  local  meteoric  waters  in  springs  or
shallow  wells.  Note  distinctly  different  Cl

  contents  of  the  end

members.

Fig. 7. Isotopic composition of selected Carpathian dehydration wa-
ters mixed with local meteoric waters. Note similar compositions of
end  members.  Regional  infiltration  line  after  Ciężkowski  &  Zuber
(1995).

background image

Table 

1: 

Major 

and 

selected 

minor 

components 

and 

the 

isotopic 

compositio

of 

selected 

examples 

of 

highly 

mineralized 

waters 

in 

comparis

on 

with 

the 

Zuber 

waters 

of 

Krynica 

Spa 

(except 

for

the 

samples 

of 

group 

I, 

Połczyn 

and 

Krosno 

all 

the 

other 

data 

a

re 

based 

on 

several 

determinations 

characterized 

by 

low 

scatter

s).

SI

TE,

 W

E

LL o

r

SPR

IN

G

 N

A

M

E

Na

+

mg/

l

K

+

mg/

l

Ca

2+

mg/

l

Mg

2+

mg/

l

Cl

-

mg/

l

Br

-

mg/

l

I

-

mg/

l

SO

4

2-

mg/

l

HC

O

3

-

mg/

l

HB

O

2

mg/

l

CO

2

mg/

l

B/

C

l

δ

18

O

δ

2

H

I gr

ou

p.

 E

xa

m

pl

e o

f end co

m

po

ne

nts

 o

non-

C

ar

pat

hia

n de

hy

dr

at

io

n water

s

M

ain

 W

ilb

ur

 Sp

ri

ng

a

8500

440

2.

8

38

9700

16

27

390

7130

1255

n.

r.

32

+5.

3

-2

2

S

ul

phur

 B

ay

, I

nk Sp

ri

ng

a

n.

r.

n.

r.

n.

r.

n.

r.

74

8

n.

r.

n.

r.

n.

r.

n.

r.

n.

r.

n.

r.

n.

r.

+

5.

6

-2

4

S

ul

phur

 B

ay

, Ge

ys

er

 Spr

ing

a

1190

23

20

55

644

1.

6

3.

2

598

3290

2510

n.

r.

963

+3.

2

-2

9

B

ad E

ndor

f

b

7286

72

239

33

8732

12.

5

47

72

372

385

150

11

+5.

2

-1

9

II

 g

ro

up.

 E

nd co

m

po

ne

nts

 o

f s

ha

llo

w C

ar

pat

hia

n de

hy

dr

at

io

n water

s

Wy

so

wa,

 Ale

xa

ndr

a we

ll

c,

d

6900

12

314

26

3850

22

5.

3

1

13110

990

1690

64

+6.

5

-3

0

Szczawni

ca, Magda

le

na

c,

d

7500

125

111

241

5886

31

8.

2

T

race

11850

753

890

32

+5.

0

-3

2

Szczawa, S

zczawa I

I wel

l

c,

d

7670

23

116

430

6524

33

7.

2

1

11532

528

1740

20

+6.

3

-3

1

R

abka,

 18 well

c

9300

54

80

48

13852

80

16

T

race

1525

395

-

7.

0

+6.

2

-2

3

III 

gr

ou

p.

 Se

le

ct

ed

 C

arpa

thi

an

 o

il-

fi

el

wa

te

rs

 w

ith

 a

 s

uppos

ed

 de

hy

dr

at

io

n c

om

po

ne

nt

Iw

on

icz, L

ubat

ów

ka 

12

c,

d

6470

40

57

72

7938

32

8.

5

10

4132

98

308

3.

0

+

1.

3

-28

Iw

on

icz, L

ubat

ów

ka 

14

c,

d

6250

33

51

53

7850

32

7.

6

8

3713

142

139

4.

5

+

1.

2

-32

R

ym

anów,

 C

el

es

tyn

a s

pr

ing

c,

d

2745

48

83

25

3608

17

2.

6

17

1600

190

1030

13

-5

.6

-6

0

R

ym

anów,

 Kl

au

di

a s

pr

ing

c,

d

2565

45

176

31

3563

13

3

17

1525

176

790

12

-5

.6

-5

9

IV

 gr

ou

p.

 E

xa

m

pl

es

 o

f connate water

 of

 th

e M

ioce

ne ocean

D

ębow

iec,

 D-

7 well

e

14900

110

1616

715

28106

170

116

n.

d.

149

65

-

0.

57

0.

0

+2

Za

oc

ie

, T

ade

us

z well

e

17100

110

1908

863

32534

184

103

n.

d.

142

56

-

0.

43

+

0.

3

-1

V

 g

rou

p.

 E

xam

pl

es

 of

 g

la

ci

al

 an

in

te

rg

la

ci

al

 w

at

er

s

Mat

eczny

, wel

l M-

4

c,

d

318

10

142

134

346

n.

d.

0.

3

794

366

3.

8

-

2.

7

-10.

9

-78

B

us

ko,

 we

ll 16

f

4250

110

401

243

6431

20

2.

1

1944

422

27

-

1.

0

-9

.8

-6

9

VI

 gr

ou

p.

 E

xa

m

pl

es

 o

f pr

e-

Q

ua

ter

na

ry

 m

eteor

ic

 water

s a

nd water

s o

un

cl

ear

 or

igin

B

us

ko,

 we

ll 15

f

7750

155

305

379

12800

55

5.

3

930

628

45

-

0.

87

-6.

4

-52

Us

tr

, w

el

l U

-3

g

22400

405

7791

2410

55593

293

16

380

122

46

-

0.

20

-1.

2

-22

Gocza

łk

ow

ice,

 well

 GN

-1

e

23250

245

4104

1557

47994

248

21

n.

d.

117

35

-

0.

18

-1.

5

-17

C

ie

cho

ci

ne

k,

 w

el

l X

IV

c,

h

14500

155

1292

470

25978

62

1.

8

50

365

70

-

0.

66

-6.

1

-49

K

amie

ń P

om

or

sk

i, E

dw

ard

 I

I

c,

h

12400

70

667

260

20913

48

1.

3

130

317

57

-

0.

67

-8.

2

-58

Po

łc

zy

n,

 w

ell

 IG

-1

c,

h

24400

55

3178

848

43323

192

1.

7

3245

74

62

-

0.

35

-3.

3

-26

Kr

os

no

g

16350

35

413

190

25734

88

23

33

1472

78

-

0.

75

+

2.

4

-13

VI

I g

ro

up.

 Z

uber

 water

s in

 K

rynica

Zu

be

r II

 w

el

l

c

4380

170

190

750

247

2.

1

0.

7

55

15957

18

2574

18

-9

.3

-7

1

Z

ub

er I w

ell

c

5700

200

201

480

734

6.

8

1.

5

33

17364

15

2223

5.

0

-7.

2

-63

Z

ub

er IV

 w

ell

c

6425

265

221

495

870

5.

7

1.

5

112

19600

9.

9

2240

2.

8

-8.

5

-55

Z

ub

er I

II w

ell

c

7000

325

208

378

1136

7.

0

2.

2

65

19965

17

2061

3.

7

-6.

9

-56

a)

 White et al

. (

1973

);

 b)

 St

ic

hler

 (

199

7)

; c)

 c

he

m

ic

al

 data a

fter

 J

ar

ocka (

1976)

; d)

 is

ot

ope data af

ter

 C

ięż

kows

ki

 et al

. (

un

pub

lis

hed

);

 e)

 P

lu

ta 

& Z

uber

 (

19

95)

f)

 Z

ube

r et al

. (

1997

);

 g

) Dow

gi

ałł

o (

19

80)

h)

 Z

uber

 & G

rab

czak (

1991

);

n.

r.

, no

t r

ep

or

te

d

264                                                                                OSZCZYPKO  and  ZUBER

background image

DIAGENETIC WATERS IN THE POLISH FLYSCH CARPATHIANS                                              265

All the non-meteoric end members are free of tritium even

in the cases of shallow occurrences (e.g. in Wysowa, Szcza-
wnica,  Szczawa  and  Rabka),  whereas  waters  situated  along
the  mixing  line(s)  with  meteoric  infiltration  (Figs. 7  and  8)
usually contain tritium above the detection limit of about 0.5
T.U. That mixing between ascending dehydration waters and
modern  meteoric  waters  is  a  local  effect,  and  usually  takes
place close to the ground surface.

The dehydration origin of waters cannot be deduced only on

the basis of their isotopic composition but the geology of the
area  and  the  hydrochemistry  must  also  be  considered.  Other
waters  with  their  end  members  falling  within  the  ranges  of
metamorphic waters shown in Fig. 7 are also quite common in
different regions of the world. Their discussion is beyond the
scope  of  the  present  work  because  they  are  often  associated
with oil fields or thermal waters, and their origin is either more
complex than just dehydration, or they were subject to second-
ary changes.

Mineral waters of the Krynica Spa

The mineral waters of meteoric origin in Krynica are of the

HCO

3

—Ca,  HCO

3

—Ca—Mg  and  HCO

3

—Mg—Ca  types.  Waters

discharging from several springs and withdrawn from wells up
to  about  200 m  deep  contain  tritium.  Waters  withdrawn  from
wells deeper than about 200 m are tritium free and in some cases
have 

δ

18

O and 

δ

2

H values distinctly more negative than the av-

erage values of waters rich in tritium, that is 

δ

18

 —10.5 ‰

and 

δ

2

 —75 ‰. These distinctly more negative delta values

are characteristic for waters in wells about 400 m deep. They do
not result from the local altitude effect, because their 

δ

18

O and

δ

2

H values are more negative than the values found in springs

and dug wells at high altitudes (Zuber et al. 1999). Therefore,
waters with the most negative delta values are most probably of
glacial age, or contain a significant glacial component. Radio-
carbon  dating  and  noble  gas  temperatures  cannot  support  that
finding due to high contents of dead CO

2

.

Therapeutic waters withdrawn from the four deepest wells

with flow rates of 0.8—3.5 m

3

/day distinctly differ chemically

and  isotopically  from  other  waters  in  Krynica,  and,  as  men-
tioned,  they  are  called  the  Zuber  waters.  Their  isotope  data
neither indicate a common origin, nor fit to a typical mixing
line of dehydration waters as seen in Fig. 9. However, a con-
sistent picture is obtained when the relationship between the
two most conservative water components is considered, that is
between Cl

 and 

δ

2

H, as shown in Fig. 10. In such a case it is

possible to draw a straight mixing line which fits the data for
the Zuber waters reasonably well. The dehydration end mem-
ber  of  that  line  is  assumed  to  correspond  to  the  highest  Cl

content in the Krynica area, which was measured in water tak-
en from the B-1 well during drilling (Świdziński 1972). The
isotopic  composition  of  water  from  that  well  was  not  mea-
sured, but under the above assumption the mixing line shows
the 

δ

2

H value of about —30 %, which is equal to the value of

the end member in nearby Wysowa. The mixing line shown in
Fig. 10 can serve for determining the contributions of the de-
hydration  and  meteoric  components  to  the  Zuber  waters  in
each well. Chloride contents yield the following fractions of

the dehydration water: 0.09, 0.26, 0.34 and 0.41, for Z-II, Z-I,
Z-IV and Z-III wells, respectively. The fractions of the dehy-
dration water determined from the 

δ

2

H values are 0.08, 0.27,

0.43,  and  0.41,  respectively.  Both  methods  yield  practically
the same results except for Z-IV well, as discussed below.

The initial point of the Cl

-

δ

2

H mixing line corresponds to

the  mean  isotopic  composition  of  hydrogen  in  local  Ho-
locene  waters,  that  is  about  —75  ‰.  However,  due  to  very
low  outflow  rates,  high  mineralization,  and  depths  larger
than the depths of glacial waters, the meteoric member of the
Zuber  waters  cannot  be  of  the  Holocene  age.  As  a  conse-
quence,  an  interglacial  age  can  be  supposed  for  that  water.
Water from the Zuber IV well does not fit the mixing line of
three  other  wells  very  well  and  seems  to  have  a  meteoric
component  with  somewhat  heavier  isotopic  composition,
that  is 

δ

2

≅ 

—65  ‰  (see  Fig. 10).  That  value  suggests  an

even greater age of the meteoric component because it corre-
sponds to recharge in a pre-Quaternary warm climate. Such
pre-Quaternary meteoric waters of the last hydrologic cycle
have been found in several regions of Poland (Ciężkowski et

Fig.  10.  Cl

-

δ

2

H  relations  for  the  Zuber  waters  and  water  from

abandoned B-1 well for which the Cl

 content is assumed to repre-

sent  the  dehydration  end  member.  The  isotopic  composition  was
not  measured,  but  the  mixing  line  of  the  Zuber  waters  suggests  a
value  close  to  that  of  Alexandra  well  in  nearby  Wysowa.  Boxes
represent the scatter of data obtained in different years.

Fig. 9. Isotopic composition of waters exploited in Zuber wells in
comparison with the non-chloride CO

2

-rich waters of Krynica Spa.

background image

266                                                                                  OSZCZYPKO and ZUBER

al. 1989; Zuber & Grabczak 1985b; Zuber et al. 1997). If a
separate mixing line is assumed for the Z-IV well, the frac-
tion of dehydration water is about 0.34.

The shifts of the Zuber waters from the mixing line of dehy-

dration and meteoric waters seen in Fig. 9 can be explained by
isotopic  exchange  of  oxygen  between  large  amounts  of  CO

2

and small volumes of water. Carbon dioxide released from car-
bonate rocks of marine origin is characterized by 

δ

18

O values

of about 0 ‰ in the PDB notation, which corresponds to about
+30 ‰ in the SMOW notation (Gat & Gonfiantini 1981). For

18

O,  the  fractionation  enrichment  between  CO

2

  and  water  at

the  temperature  of  about  10

 

°C  is  —43.5  ‰  (Friedman  &

O’Neil 1977). Therefore, a small quantity of water affected by
a continuous flow of CO

2

 will have a tendency to change the

isotopic composition of oxygen to be in equilibrium with CO

2

,

that is to —13.5 ‰. The process of exchange is very fast and
takes  only  several  hours  (Gat  &  Gonfiantini  1981).  A  large
amount of CO

2

 is indicated by high pressures of CO

2

, which

are from about 2.1 to 3.2 MPa at closed well heads. Therefore,
in the case of the Zuber waters, the masses of through-flowing
CO

2

 and water are probably comparable, and the isotopic shift

of oxygen in water is observed.

The origin of CO

2

 in Krynica was also a subject of controver-

sies. In the past, the most common opinion related its origin to
volcanic  processes  (Świdziński  1972).  A  similar  opinion  was
expressed  by  Cornides  &  Kecskés  (1982)  on  the  basis  of

δ

13

C(CO

2

)  measurements  for  CO

2

-rich  waters  in  Slovakia.  In

general, the distinction between the mantle (volcanic) and crust-
al (metamorphic) CO

2

 is difficult due to overlapping ranges of

δ

13

C values (e.g. Deines 1980), and the evolution of the isotopic

composition of CO

2

 during its migration through groundwater

reservoirs (Leśniak 1998). However, as 

δ

13

C(CO

2

) in the Zuber

wells  is  about  —1 ‰  (Leśniak  1985,  1988),  the  origin  of  CO

2

can be related to the thermal decomposition of carbonate miner-
als in the presence of SiO

2

 (Maxwell & Sofer 1982). The carbon

dioxide is probably derived from the Mesozoic and Paleozoic
rocks of the platform basement and partly from the Paleogene
and Lower Miocene autochthonous clastic deposits (Oszczypko
1998). The small amount of mantle helium found in all the in-
vestigated CO

2

-rich waters of the POC (Leśniak et al. 1997) in-

dicates that some contribution of the mantle CO

2

 is perhaps pos-

sible. However, that contribution, if any, cannot be regarded as
significant.

The Zuber waters are chemically unique as indicated by data

given in Table 1. Unusually high molar ratios of Na

+

 to Cl

,

compensated by high concentrations of HCO

3

 ions, are char-

acteristic for the Zuber waters. For these waters, the Na/Cl ra-
tio is evidently independent of the fraction of diagenetic water
(see  Table 1  and  Fig. 10).  Therefore,  high  concentrations  of
Na

+

 probably result from a secondary process related to both

components. The decomposition of albite can be supposed as
the  process  responsible  for  increased  Na

+

  concentration,

though the albite presence is not reported from the Paleocene
deposits  of  the  Krynica  Subunit,  whereas  the  amount  of  K-
feldspars  accounts  for  9.5 %  (Bromowicz  1986).  However,
that hypothesis is weak because the deepest non-chloride wa-
ters in Krynica, with T.D.S. values reaching about 10 g/l, are
of the HCO

3

-Ca-Mg type, without an indication of unusually

high Na

+

 contents. Therefore, the origin of very high Na

+

 con-

tents in the Zuber waters remains unclear.

Conclusions

In  the  Polish  Outer  Carpathians  there  are  common  occur-

rences of CO

2

-rich and CO

2

-free chloride waters of non-mete-

oric  origin  as  deduced  from  their  isotopic  composition.  In  a
number  of  areas  these  waters  migrate  to  the  surface  due  to
pressures higher than hydrostatic, and mix with local meteoric
waters  yielding  similar  mixing  lines  on 

δ

18

O-

δ

2

H  diagrams.

The mixing lines start at the mean isotopic composition of lo-
cal meteoric waters, that is 

δ

18

 —10.2 ‰ and 

δ

2

 —72 ‰,

and  end  at  the  values  characteristic  for  dehydration  waters,
that is 

δ

18

 +6.5 ‰ and 

δ

2

 —25 ‰ (Fig. 7). Mixing lines

on Cl

-

δ

18

O (Fig. 8) and Cl

-

δ

2

H diagrams usually distinctly

differ; they are characteristic only for small areas (a spa or vil-
lage). According to numerous authors (White et al. 1973; Tay-
lor 1974; Leśniak 1980; Sheppard 1986; Kerrich 1987), such
waters can be regarded as being released from clay minerals
during  metamorphism,  with  high  Cl

  contents  related  to  the

remnants of marine water. However, it is difficult to explain
the  same  isotopic  composition  and  highly  different  Cl

  con-

tents for assumed mixing with marine water. It is more reason-
able to follow Yeh & Savin (1976, 1977), Yeh (1980), and Su-
chocki  &  Land  (1983),  who  investigated  two  active  burial
basins  in  the  USA,  and  whose  results  were  summarized  by
Longstaffe  (1987).  These  authors  showed  that  the  release  of
bound  water  and  buffering  effects  during  smectite  to  illite
transformation  during  the  burial  diagenesis  lead  to 

δ

18

O  and

δ

2

H values similar to those regarded as being of metamorphic

origin. The POC geology and the reconstructed burial history
show the possibility of a common existence of diagenetic wa-
ters and rather exclude the existence of metamorphic waters.
Similarly,  chloride  waters  in  the  Tertiary  Molasse  Basin  of
South Germany, isotopically described by Stichler (1997) can
be related to the burial diagenesis.

Smectite illitization is not necessarily an important process in

burial diagenesis. The study of pore fluid evolution in the Kim-
meridge Clay Formation (mudstone sequence deposited by epi-
continetal sea across north-west Europe during the end of Juras-
sic)  showed  that  other  pore  waters  can  also  be  expected  than
those presented within the present work (Scotchman 1993).

The  origin  of  chloride  waters  of  the  Na-HCO

3

  type  in

Krynica is particularly difficult to determine because their iso-
tope data do not fall on a typical 

δ

18

O-

δ

2

H mixing line of de-

hydration and meteoric waters in the POC. However, the Cl

-

δ

2

H  relationship  is  typical  for  dehydration  waters,  which

suggests that the Zuber waters can be regarded as those result-
ing from mixing between meteoric and diagenetic waters, with

δ

18

O shifted to more negative values by isotopic exchange be-

tween large quantities of CO

2

 and small volumes of water. In

Krynica, contrary to other regions, mixing between meteoric
and  diagenetic  waters  takes  place  at  relatively  large  depths
(500—1000 m)  where  slowly  penetrating  meteoric  waters  of
great ages (interglacial) meet with ascending dehydration wa-
ters. That mixing and the long-lasting action of large quantities
of CO

2

 supposedly lead to the unique chemical composition of

the Zuber water and high T.D.S. contents of about 30 g/l.

It is demonstrated that high Na/Cl and B/Cl ratios are char-

acteristic for waters supposed to be released from clay miner-
als during burial diagenesis. These ratios can be helpful in the
identification of diagenetic waters.

background image

DIAGENETIC WATERS IN THE POLISH FLYSCH CARPATHIANS                                              267

Water-Rock  Interaction.  Int.  Assoc.  Geochem.  Cosmochem.
20—23.

Dudek T. & Świerczewska A. 2001: Regional variation and structur-

al  control  on  clay  diagenesis  in  the  Polish  Carpathians.  In:
Adam  A.,  Szarka  L.  &  Szendoi  J.  (Eds.):  Book  of  Abstracts,
Conference PANCARDI
, Sopron, Hungary.

Friedman  I.  &  O’Neil  J.R.  1977:  Compilation  of  Stable  Isotope

Fractionation  Factors  of  Geochemical  Interest.  Geol.  Survey
Prof. Paper 440-KK
US Gov. Print. Office, Washington, 1—14.

Gat  J.R.  &  Gonfiantini  R.  1981:  Stable  Isotope  Hydrology.  IAEA,

Vienna, 1—339.

Jankowski  J.,  Tarłowski  Z.,  Praus  O.,  Pečova  J.  &  Peter  V.  1985:

The  results  of  deep  geomagnetic  soundings  in  the  West  Car-
pathians. Geophys. J. R. Astr. Soc. 80, 561—574.

Jarocka A. (Ed.) 1976: Analizy fizyczno-chemiczne wód leczniczych,

wód  stołowych,  borowin.  Centralny  Ośrodek  Informacji  Uzd-
rowiskowej
, Warsaw, 1—474.

Karnkowski  P.  1999:  Oil  and  gas  deposits  in  Poland.  Geosynoptis

Society “Gos”, Cracow, 1—380.

Kerrich R. 1987: Stable isotope studies of fluids in the crust. In: Ky-

ser T.K. (Ed.): Short Course in Stable Isotope Geochemistry of
Low  Temperature  Fluids.  Mineral.  Assoc.  Canada  Newslett.
13, 258—286.

Kharaka Y.K. & Berry F.A.F. 1973: Simultaneous flow of water and

solutes  through  geological  membranes – experimental  inves-
tigations. Geochem. Cosmochim. Acta 37, 2577—2603.

Leśniak  P.M.  1980:  The  origin  of  the  chloride  waters  at  Wysowa,

West  Carpathians – chemical  and  isotopic  approach.  Acta
Geol. Pol
. 30, 519—550.

Leśniak  P.M.  1985:  Open  CO

2

-underground  water  system  in  West

Carpathians – chemical  and  isotopic  evidence.  Chem.  Geol.
49, 275—286.

Leśniak P.M. 1998: Origin of carbon dioxide and evolution of CO

2

-

rich  waters  in  the  West  Carpathians,  Poland.  Acta  Geol.  Pol.
48, 3, 342—366.

Leśniak P.M., Sakai H., Ishibashi J. & Wakita H. 1997: Mantle heli-

um  signal  in  the  West  Carpathians,  Poland.  Geochem.  J.  31,
383—394.

Leško B., Durkovič T., Faber P., Filkova V., Hradil F., Janku J., Kar-

koska F., Losik K., Pichova E., Rudinec R., Samuel O., Smet-
ana J., Snopkova P. & Wunder D. 1987: Oporny vrt Smilno-1
(5700 m). Geol. Ustav D. Stura, Bratislava.  Region. Geol. Zá-
pad. Karpát
 22, 1—133 (in Slovak).

Longstaffe  F.J.  1987:  Stable  isotope  studies  of  diagenetic  pro-

cesses. In: Kyser T.K. (Ed.): Short Course in Stable Isotope
Geochemistry  of  Low  Temperature  Fluids.  Mineral.  Assoc.
Canada
 13, 187—257.

Mason  R.  1990:  Petrology  of  the  metamorphic  rocks.  Unwin  Hy-

man, London, 2nd ed., 1—230.

Maxwell  L.E.  &  Sofer  Z.  1982:  Carbon  isotope  fractionation  fac-

tors  of  the  carbon  dioxide-carbonate  system  and  their
geochemical  implications.  In:  Forster  H.L.  &  Heizinger  K.
(Eds.):  Stable  Isotopes.  Elsevier,  Amsterdam,  An.  Chem.
Symp. Ser
. 11, 127—134.

Oszczypko  N.  1992:  Late  Cretaceous  through  Paleogene  evolution

of Magura Basin. Geol. Carpathica 43, 333—338.

Oszczypko  N.  1998:  The  Western  Carpathian  Foredeep –  develop-

ment  of  foreland  basin  in  front  of  accretionary  wedge  and  its
burial history (Poland). Geol. Carpathica 49, 6, 415—431.

Oszczypko N. 1999: From remnant oceanic basin to collision-relat-

ed  foreland  basin-a  tentative  history  of  the  the  Outer  Western
Carpathians. Geol. Carpathica, Spec. Issue 50, 161—613.

Oszczypko  N.,  Dudziak  J.  &  Malata  E.  1990:  Stratigraphy  of  the

Cretaceous  through  Palaeogene  deposits  of  the  Magura  Nappe
in  the  Beskid  Sądecki  Range,  Polish  Outer  Carpathians.  Stud.
Geol. Pol.
 47, 109—181 (in Polish with English summary).

Acknowledgment:  The  authors  are  indebted  to  Dr  P.M.
Leśniak,  Dr  Peter  Malik  and  to  an  anonymous  reviewer  for
useful  comments.  The  study  was  partly  supported  by  the
9T12B00896C/2971 and 6P04D04019 research projects of the
Polish Sciences Foundation (KBN).

References

Allen  P.A.  &  Allen  J.R.  1992:  Basin  analysis.  Blackwell  Sc.  Publ.,

1—451.

Angevine Ch.L., Heller P.L. & Paola C. 1990: Quantitative sedimen-

tary  basin  modelling.  AAPG  Continuing  Education  Course
Note Series
, 32, 132.

Barnes  I.  1970:  Metamorphic  waters  from  the  Pacific  tectonic  belt

of the west coast of the United States. Science 168, 973—975.

Barnes  I.  &  O’Neil  J.R.  1976:  Metamorphic  reactions  in  flysch

rocks. In: Proc. Intern. Symp. on Water-Rock Interaction 1974.
IACG, Prague, 309—316.

Birkenmajer  K.  1986:  Stages  of  structural  evolution  of  the  Pieniny

Klippen Belt, Carpathians. Stud. Geol. Pol. 88, 7—32.

Birkenmajer K. & Oszczypko N. 1989: Cretaceous and Palaeogene

litostratigraphic  units  of  the  Magura  Nappe,  Krynica  subunit,
Carpathians. Ann. Soc. Geol. Pol. 59, 1—2, 145—181.

Birkenmajer  K.  &  Pécskay  Z.  1999:  K-Ar  dating  of  the  Miocene

andesite  intrusions,  Pieniny  Mts,  West  Carpathians,  Poland.
Bull. Acad. Pol. Sci. Earth Sci. 47, 2—3, 155—169.

Boles  J.R.  &  Franks  S.G.  1979:  Clay  diagenesis  in  Wilcox  sand-

stones of Southwest Texas: implications of smectite diagenesis
on sandstone cementation. J. Sed. Petrology 49, 55—70.

Bromowicz  J.  1986:  Petrographic  differentiation  of  source  areas  of

Ropianka  Beds  east  of  Dunajec  river  (Outer  Carpathians,  Po-
land).  Ann.  Soc.  Geol.  Pol.  56,  3—4,  253—276  (in  Polish  with
English summary).

Ciężkowski W. & Zuber A. 1995: Stable isotopes of oxygen and hy-

drogen in shallow groundwaters in the central part of the Polish
Carpathians. In: Szczepańska J., Kulma R. & Szczepański A.:
Współczesne  problemy  hydrogeologii.  Wyd.  Profil,  Kraków,
VII, 2, 245—250 (in Polish).

Ciężkowski W., Grabczak J., Kryza J., Poprawski L., Witczak S. &

Zuber A. 1989: Isotope investigations of groundwater age and
circulation  in  the  Opole  monocline  and  depression  basin.  In:
Problemy  hydrogeologiczne  południowo-zachodniej  Polski.
Scientific  Papers  of  the  Institute  of  Geotechnics.,  Technical
University of Wrocław, 
Wrocław, 58, 409—418 (in Polish).

Chen C.-c. & Chen C.-s. 1998: Preliminary result of magnetotelluric

soundings in the fold-thrust belt of Taiwan and possible detec-
tion of dehydration. Tectonophysics 292, 1—2, 101—117.

Cornides I. & Kecskés A. 1982. Deep-seated carbon dioxide in Slova-

kia — the problem of its origin. Geol. Carpathica 33, 2, 183—190.

Deines P. 1980: The isotopic composition of reduced organic carbon.

In: Fritz P. & Fontes J.C. (Eds.): Handbook of environmental iso-
tope geochemistry. Elsevier, Amsterdam, 1, 329—406.

Dowgiałło J. 1973: The results of the oxygen and hydrogen isotopic

composition of groundwaters in south Poland. Biul. Inst. Geol.
277, 319—334 (in Polish).

Dowgiałło J. 1976: Problems of the origin of Cl-HCO

3

-Na  mineral

waters of the Polish flysch Carpathians. In: Proc. Intern. Symp.
on Water-Rock Interaction 1974
IACG, Prague, 12—22.

Dowgiałło J. 1980: Poligenetic model of Carpathian chloride waters

and  some  of  its  consequences.  In:  Współczesne  problemy  hy-
drogeologii  regionalnej.  Uniwersytet  Warszawski,  Warsaw,
275—290 (in Polish).

Dowgiałło J. & Leśniak P.M. 1980: The origin of chloride waters in

the  Polish  flysch  Carpathians.  In:  3

rd

  International  Symp.  on

background image

268                                                                                  OSZCZYPKO and ZUBER

Oszczypko  N.,  Malata  E.,  Oszczypko-Clowes  M.  &  Duńczyk  L.

1999:  Geology  of  the  Krynica  area  (Magura  Nappe,  Polish
Outer  Carpathians)  Przegl.  Geol.  47,  549—559  (in  Polish  with
English summary).

Pazdro Z. 1983: Hydrogeologia ogólna. Wyd. Geol., Warsaw, 1—506.
Pluta  I.  &  Zuber  A.  1995:  Origin  of  brines  in  the  Upper  Silesian

Coal Basin (Poland) inferred from stable isotope and chemical
data. Appl. Geochem. 10, 447—460.

Ryłko W. & Tomaś A. 1995: Morphology of the consolidated base-

ment  of  the  Polish  Carpathians  in  the  light  of  magnetotelluric
data. Kwart. Geol. 39, 1, 1—16.

Scotchman  I.C.  1993:  Diagenetic  pore  fluid  evolution  in  the  Kim-

meridge Clay Formation: from concretions to sandstone cements.
In: Manning D.A. C., Hall P. L. & Hughes C.R. (Eds.): Geochem-
istry of clay-core fluid interactions. Chapman & Hall, 127—159.

Sheppard  S.M.F.  1986:  Characterization  and  isotopic  variations  in

natural  waters.  In:  Valley  J.W.,  Taylor  H.P.  Jr.  &  O’Neil  J.R.
(Eds.): Stable isotopes in high temperature geological process-
es. Reviews in MineralogyBook Crafters, Inc., Chelsea, Mich-
igan. Mineral. Soc. Amer. 16, 165—183.

Stichler W. 1997: Isotopengehalte in Tiefengrundwässern aus Erdöl-

und  Erdgasbohrungen  im  süddeutschen  Molassebecken.  Beitr.
Hydrogeol. 
48, I, 81—88.

Suchocki  R.K.  &  Land  L.S.  1983:  Isotopic  geochemistry  of  buried-

metamorphosed volcanogenic sediments, Great Valley sequence,
northern California. Geochim. Cosmochim. Acta 47, 1487—1499.

Świerczewska A., Hurai V., Tokarski A.K. & Kopciowski R. 1983:

Quartz  mineralization  in  the  Magura  Nappe  (Poland):  a  com-
bined  microstructural  and  microthermometry  approach.  Geol.
Zbor.
 Geol. Carpath., Spec. Issue 50, 174—177.

Świdziński  H.  1972:  Geologia  i  wody  mineralne  Krynicy.  Wyd.

Geol., Warsaw.

Taylor H.P. Jr. 1974: The application of oxygen and hydrogen iso-

tope  studies  to  problems  of  hydrothermal  alteration  and  ore
deposition. Econ. Geol. 69, 843—883.

White D.E., Barnes I. & O’Neil J.R. 1973: Thermal and mineral wa-

ters of nonmeteoric origin, California Coast Ranges. Geol. Soc.

Amer. Bull. 84, 547—560.

Yeh H.V. 1980: D/H ratios and late-stage dehydration of shales dur-

ing burial. Geochim. Cosmochim. Acta 44, 141—352.

Yeh H.V. & Savin 1976: The extent of oxygen isotope exchange be-

tween clay minerals and seawater. Geochim. Cosmochim. Acta
40, 743—748.

Zuber A. 1987: On the origin of zuber waters. In: 25-lat górnictwa

uzdrowiskowegoWyd. AGH, Cracow, 37—51 (in Polish).

Zuber A. & Grabczak J. 1985a: On the origin of some mineral wa-

ters  in  southern  Poland  as  derived  from  the  isotope  methods.
In:  Aktualne  problemy  hydrogeologii.  Wyd.  AGH,  Cracow,
135—148 (in Polish).

Zuber  A.  &  Grabczak  J.  1985b:  Stable  isotopes  as  a  tool  for  age

stratification of waters in the Lublin Coal Basin. Vodnye Resur-
cy
 5, 173—178 (in Russian).

Zuber  A.  &  Grabczak  J.  1986:  Determining  the  origin  of  mineral

waters  in  southern  Poland  with  the  aid  of  isotope  methods.
Freiberg. Forsch. 417, 116—126.

Zuber  A.  &  Grabczak  J.  1987:  On  the  origin  of  chloride  waters  in

flysch Carpathians. Przegl. Geol. 7, 366—372 (in Polish).

Zuber  A.  &  Grabczak  J.  1991:  On  the  origin  of  saline  waters  in  the

Mesozoic of central and north Poland. In: Współczesne problemy
hydrogeologii
SGGW-AR, Warsaw, 202—207 (in Polish).

Zuber  A.,  Weise  S.M.,  Osenbrück  K.  &  Mateńko  T.  1997:  Origin

and age of saline waters in Busko Spa (Southern Poland) deter-
mined  by  isotope,  noble  gas  and  hydrochemical  methods:  evi-
dence  of  interglacial  and  pre-Quaternary  warm  climate
recharges. Appl. Geochem. 12, 643—660.

Zuber A., Ciężkowski W., Grabczak J. & Duliński M. 1999: Tritium

ages and altitude of recharge areas of mineral waters in Kryni-
ca estimated from tritium, 

δ

18

O and 

δ

2

H data. Przegl. Geol. 47,

574—583 (in Polish).

Żytko K. 1989: The profile of the bore hole Kuźmina 1 (Eastern Car-

pathians in Poland). Kwart. Geol. 33, 2, 361—364 (in Polish only).

Żytko K. 1997: Electrical conductivity anomaly of the northern Car-

pathians and deep structure of the orogen. Ann. Soc. Geol. Pol.
67, 25—44.