HYDROGEOLOGICAL PROPERTIES OF THE PODHALE FLYSCH                                                 77

GEOLOGICA CARPATHICA, 55, 1, BRATISLAVA, FEBRUARY 2004

77–81

HYDROGEOLOGICAL PROPERTIES OF THE PODHALE FLYSCH

(CENTRAL WESTERN CARPATHIANS, POLAND)

IN THE LIGHT OF STUDIES ON WATER STORAGE CAPACITY

JÓZEF CHOWANIEC

Polish Geological Institute, Carpathian Branch, ul. Skrzatów 1, 31-560 Kraków, Poland;  jchowan@pigok.com.pl

(Manuscript received April 23, 2003; accepted in revised form October 2, 2003)

Abstract: The paper presents an analysis of the variability in fissuring with depth in the flysch deposits of the Podhale

Basin (Central Western Carpathians). Within the stratigraphic sequence of the Podhale Flysch of nearly 3000 m, a

fractured and permeable 80–100 m thick, near-surface zone is very important for the water flow. The thickness of this

zone varies and depends mainly on the lithologic development of the flysch deposits and on their morphological posi-

tion. In the shaly Szaflary and Zakopane Beds (and also in the beds from Brzegi) its thickness reaches only 50 m, while

in the Chocho³ów Beds, where sandstone predominates, it reaches 100 m. The obtained results are comparable to the

regional statistical evaluation of data from the Outer Western Carpathians.

Key  words:  Central  Western  Carpathians,  Poland,  Podhale  Flysch,  water  active  exchange  zone,  hydrogeological

parameters, water storage capacity, flysch.

Introduction

Examination of water storage capacity, which allows us to ob-

serve changes in permeability with depth, is an important task

in hydrogeological investigations. The purpose of such studies

is to evaluate the permeability of fractured rock masses around

the sites of planned water dams. Studies on the water storage

capacity in the flysch deposits of a near-surface zone were per-

formed in Slovakia and the Czech Republic (e.g. Jetel 1985).

Jetel (1985) found that in the majority of flysch regions the

subsurface  zone  of  fractured  and  decompressed  rocks  func-

tions as the main aquifer. In the zone in question, on the re-

gional scale, the mean permeability decreases regularly with

depth, and the lower interface of the subsurface zone of frac-

turing is at the depth interval of 30–40 m on average. On the

other hand, the lower interface of the continual system of open

fractures facilitating circulation of ground water in the massifs

built of flysch rocks usually does not exceed 100 m.

The purpose of this paper is to show the differentiation of

permeability with depth in the subsurface zone of the Podhale

Flysch deposits based on the examination of the water storage

capacity.

Geological setting

The Podhale Flysch, Late Eocene–Oligocene in age, is the

rock  series  lying  above  the  Carbonate  Eocene.  Its  largest

thickness, 2996 m, has been recorded in borehole Chocho³ów

PIG-1.  The  Podhale  Flysch  was  subject  to  thorough  studies

initiated  after  1945  (Go³¹b  1959;  Watycha  1959;  Mastella

1975; Ma³ecka 1981; Kêpiñska 1997). The profile of flysch

deposits comprises, from bottom to top: the Szaflary, Zako-

pane, Chocho³ów and Ostrysz Beds (Figs. 1, 2).

The  oldest  Szaflary  Beds  are  exposed  on  the  surface  in  a

narrow belt in the northern wing of the Podhale Basin along a

contact with the Pieniny Klippen Belt. Based on the data from

Fig. 1. General section of the Podhale Flysch.

boreholes, it can be concluded that the Szaflary Beds extend

relatively far southward into the flysch basin, but they do not

reach the southern border of the Podhale Basin. The Szaflary

Beds can be subdivided into lower, middle and upper parts. In

78                                                                                           CHOWANIEC

the  lower  and  upper  beds,  sandstones  predominate,  while

shales and mudstones prevail in the middle part.

The  Zakopane  Beds  form  the  thickest  formation  in  the

Podhale  Flysch.  They  rest  directly  upon  the  Carbonate

Eocene in the southern wing of the Podhale Basin, while in

the northern wing they occur above the Szaflary Beds. Clay-

shales and mudstones (lower Zakopane Beds), predominate in

the lower part, while in the upper part sandstones (upper Za-

kopane Beds) are abundant.

The  Chocho³ów  Beds,  which  mainly  form  morphological

elevations in the Podhale Basin, rest directly on the Zakopane

Beds. Generally, in the Chocho³ów Beds, two members, upper

and lower ones, are distinguished. Sandstones predominate in

both the members of the Chocho³ów Beds. In the eastern part

of the Podhale Basin, the beds of Brzegi are equivalents of the

upper Chocho³ów Beds, and then its characteristic feature is

predominance of clay-shales (Watycha 1959).

In  the  western  part  of  the  Podhale  Basin,  above  the

Chocho³ów  Beds,  the  Ostrysz  Beds  (series  of  thick  massive

sandstones), the youngest flysch deposits, are distinguished in

a relatively small area.

Water flow in the Podhale Flysch deposits

The water flow in the flysch aquifer runs in a system of con-

nected fissures. It can be assumed (e.g. Ma³ecka 1981) that the

flysch permeability is controlled by fissuring while inter-gran-

ular porosity of rock masses is less important. Laboratory tests

of the Podhale Flysch sandstones and conglomerates showed

that their inter-granular porosity is low (Table 1).

For  quantitative  evaluation  of  the  size  and  percent  of  fis-

sures in the studied rocks the coefficient of fracturing is used

(Liszkowski & Stochlak 1976). The measurements of the fis-

sures, carried out by the author, allowed the conclusion that in

the area formed by the Zakopane Beds (Nêdzówka region) the

mean fissuring is 0.8 % (inter-bed fissility has not been con-

sidered),  while  in  the  Chocho³ów  Beds  (Koœcielisko)  it  is

2.4 % and locally above 4.0 % (Chowaniec 1978).

Fig. 2. Geological map of the Podhale region (without Quaternary deposits, after Chowaniec 1989 — simplified) and location of the study area.

Table 1: Porosity of sandstones of the Podhale Flysch.

 

Studied beds 

Region 

Porosity in % 

Authors 

1 

2 

3 

4 

Chocho³ów 

Inter-basin area of 

Bia³y Dunajec and 

Bia³ka rivers 

0.60–6.61 

(effective) 

Ma³ecka & 

Murzynowski (1978) 

Zakopane 

" 

0.13–6.73 

(effective) 

" 

Szaflary 

" 

1.17–5.33 

(effective) 

" 

Flysch in 

general 

Western Podhale 

1.5–7.9 

Bromowicz & Rowiñski 

(1965) 

 

HYDROGEOLOGICAL PROPERTIES OF THE PODHALE FLYSCH                                                 79

The thickness of sandstone layers of the Zakopane Beds is

15–30 cm and in the Chocho³ów Beds — 0.5–1.5 m. The co-

efficient of fracturing, 2.4 %, is twice as big as the value of the

Magura sandstones of Œnie¿nica region (Bober & Oszczypko

1964). Results of the studies by Ma³ecka & Murzynowski (1978),

performed in the area of the Podhale Flysch show that the values

of this coefficient differ in a very wide range (Table 2).

In the studies that have been performed until now, due to the

lack of hydrogeological drillings (Pokorski 1965; Boretti-Onysz-

kiewicz 1968; Mastella 1975), the permeability of the flysch

deposits used to be determined at the surface, based on fissur-

ing measurements. The boreholes in the region of Kojsówka,

Szaflary and Jurgów in the 1960s allowed the determination of

the permeability of a certain section of the profile based on ex-

amination of water storage capacity.

Examination of water storage capacity

Water storage capacity obtained at the pressure of 0.2 MPa

is used as a standard according to the BN-75/8950-07 Polish

Branch Standard chart. Specific water storage capacity, of the

value of 0.01 dm

3

/min/m/0.01 MPa is accepted as the thresh-

old for impermeability of the orogen. Oszczypko et al. (1981)

and Chowaniec et al. (1983) have determined the variability in

water-storage capacity with depth in the Magura and Krosno

Beds and have reported differences in the storage capacity of

these beds. The authors have found evidence that the thickness

of the permeable zone of the Krosno Beds in the Central Car-

pathian  Depression  reaches  40 m,  which  is  only  half  of  the

thickness of this zone in the Magura Beds. The filtration coef-

ficient  of  the  Krosno  Beds  to  the  depth  of  20 m  is  usually

1.4

×

10

–6

 m/s, while in the depth interval of 20–40 m — it is

2.4

×

10

–7

 m/s. Permeability in both the depth intervals of these

beds is one order of magnitude smaller than the permeability

of the Magura Beds. The permeability of the Krosno Beds in

the entire Carpathian Depression was studied earlier by Dzie-

wañski (1962).

In the region of Kojsówka, the substratum is built of medi-

um and massive sandstones with intercalations of clayey-mar-

ly shales belonging to the Lower and Upper Chocho³ów Beds.

Table  2:  Results  of  fissuring  measurements  (after  Ma³ecka  &

Murzynowski 1978).

 

Studied beds 

Village 

Coefficient  of fracturing  

[ %] 

1 

2 

3 

Ostrysz 

Dzianisz 

6.4 

Ostrysz 

Witów 

4.2 

Chocho³ów 

Gliczarów             

Bia³ka                 

Ciche 

8.1                      

8.1                      

1.8 

Szaflary 

Szaflary             

Murszyna 

9.3 

                  11.1   

Zakopane 

Zakopane             

Poronin 

8.9                      

5.1 

 

That is a fragment of the southern limb of the so-called Os-

trysz Syncline dipping northward according to Go³¹b (1959).

In the course of the planned siting of dam in Kojsówka, 18

boreholes have been drilled to depths of 40–75 m to examine

water storage capacity. The results have been interpreted by

numerous authors (Michalik 1963; Monkiewicz 1966; Niedziel-

ski 1974). Table 3 presents specific water storage capacity at

particular depths.

In the region of Kojsówka no major dislocations have been

stated,  however,  the  rock  massif  is  strongly  fractured,  espe-

cially  on  the  left  slope.  Following  mining  works,  2–20 cm

wide fractures, reaching to the depth of 6 m, have been detect-

ed. Fractures (1–3 cm wide) reach at least 10 m in depth. This

finding  has  been  confirmed  by  water  storage  capacity  tests.

According to the data presented in Table 3, it is apparent that

the impermeable zone has not been reached in each borehole.

The impermeable zone in the bottom of the valley and on the

right slope has been reached at a depth of 70–75 m. Thus, a

thick zone of water holding rocks is observed here, especially

in the bottom of the valley, which is evidence of a deep infil-

tration range.

The author of this paper has performed a statistical analysis

of  the  results  of  the  water  storage  capacity  of  18  boreholes

drilled in the Chocho³ów Beds near Kojsówka. The set of data

amounted  to  293  (Table  4;  Chowaniec  1989).  Variability  in

water storage capacity with depth has been approximated by a

logarithm function and by a polynomial function of  n = 1–3

order (Fig. 3). The straight line reflects only a general trend in

the zones from which the majority of the data originate. The

Table  3:  Specific  water  storage  capacity  of  the  Choch³ów  Beds

near Kojsówka (after Monkiewicz 1966).

 

Specific water storage capacity (average) 

Depth         

[m] 

left slope 

valley floor 

right slope 

1 

2 

3 

4 

< 15 

- 

0.1202–1.870 

(0.907) 

0.024–0.0900 

(0.527) 

15–20 

0.503–1.398 

(0.822) 

0499–1.190 

(0.859) 

0.204–0.630 

(0.393) 

20–30 

0.096–1.200 

(0.504) 

0.412–1.132 

(0.731) 

0.0099–0.538 

(0.344) 

30–40 

0.072–0.694 

(0.377) 

0.067–1.350 

(0.607) 

0.004–0.851 

(0.320) 

40–50 

0.033–0.376 

(0.175) 

0.039–0.230 

(0.523) 

0.000–0.315 

(0.159) 

50–60 

0.009–0.710 

(0.270) 

0.000–0.589 

(0.344) 

0.001–0.289 

(0.118) 

60–70 

0.004–0.398 

(0.144) 

0.000–0.600 

(0.240) 

0.012–0.210 

(0.113) 

70–75 

- 

0.009 

0.051 

 

Table 4: Statistical characteristics of specific water storage capacity.

 

Specific water storage capacity 

dm

3

/min/m/0.01 MPa 

 

Number 

of 

borehole 

Number 

of data 

 

Average 

 

Minimum 

 

Maximum 

18 

293 

0.329 

Not obtained 

2.175 

 

80                                                                                           CHOWANIEC

Fig. 3. Specific water storage capacity versus ground water depth in

the Chocho³ów Beds in the region Kojsówka under the pressure of

0.2 MPa.

Fig. 4. Specific water storage capacity versus ground water depth —

the 3

rd

 order polynomial approximation (after Chowaniec 1989).

logarithmic curve is the most sensitive to any changes, thus, it

is the best approximation for changes in water storage capaci-

ty with depth.

In the case of the logarithmic function the curve with the

maximum (1.674) at the surface and minimum below 100 m

deep has been obtained. For the linear relationship, a straight

line crossing the ordinate axis at 81 m has been obtained. The

polynomial of 3

rd

 order has the minimum at the depth of 73 m.

The zone to the depth of 20 m is the most permeable. Specific

water storage capacity in this zone is above 0.5 dm

3

/min/m/

0.01 MPa. The zone at the depth of 20–60 m, whose specific

water storage capacity decreases from 0.5 to 0.2 dm

3

/min/m/

0.01 MPa, is also well permeable. The third zone can be iden-

tified at the depth of  60–100 m (Fig. 3).

The occurrence of these zones can be characterized by the

values of filtration coefficients, derived form water storage ca-

pacity,  calculated  according  to  the  formula  of  Wieczysty

(1970) (Table 5).

The  results  obtained  from  statistical  analysis  have  been

compared  with  the  results  of  the  studies  performed  for  the

Magura and Krosno Beds of the Central Carpathian Depres-

sion. The thickness of the permeable zone of the Chocho³ów

Beds (80–100 m) is similar to that of the permeable zone of

the Magura Beds and twice as thick as in the case of the Kros-

no Beds (Fig. 4). In Kojsówka the permeable zone features a

much  stronger  fissuring.  The  obtained  results  are  similar  to

the results for the sandstones of the Slovak Carpathian Flysch

reported by Jetel (1985). Here, in Kojsówka, the slightly larg-

Table 5: Mean filtration coefficient calculated on the basis of wa-

ter storage capacity.

Table 6: Thickness of the permeable zone in the Podhale Flysch

deposits based on the studies of water storage capacity.

 

Depth                         

[m] 

Filtration coefficient         

[m/s] 

0-20 

1.88 ´ 10

-5 

20-60 

6.08 ´ 10

-6 

60-100 

1.74 ´ 10

-6 

0-100 

5.71 ´ 10

-6 

 

 

Village 

Studied beds 

Thickness of 

permeable zone 

[m] 

Mean filtration 

coefficient k [m/s] 

Number of 

boreholes 

Kojsówka  Chocho³ów Beds 

80-100 

5.71 ´ 10

-6 

18 

Impermeable      

(at 0.2 MPa) 

6.21 ´ 10

-8

 

Szaflary 

Szaflary Beds 

30 (at 0.5 MPa) 

3.19 ´ 10

-6

 

1 

15 (at 0.2 MPa) 

2.43 ´ 10

-6

 

Jurgów 

upper     

Chocho³ów Beds  

(from Brzegi) 

20 (at 0.5 MPa) 

2.43 ´ 10

-6

 

1 

 

er values for the permeable zone when compared to the Magu-

ra Beds are likely to be related to the tectonics of the Podhale

Flysch and the corresponding fissuring. In Podhale the joint

planes intersect the layers almost vertically and their number

increases in the zones of numerous faults.

HYDROGEOLOGICAL PROPERTIES OF THE PODHALE FLYSCH                                                 81

Much lower values of water-storage capacity and a smaller

thickness of the permeable zone have been stated in the re-

gions  of  Szaflary  (Drath  et  al.  1964;  Oszczypko  1966)  and

Jurgów (Bober et al. 1964). That is associated with the nature

of the deposits in these regions — that is with the predomi-

nance  of  shales  in  the  Szaflary  Beds  and  in  the  beds  from

Brzegi (Table 6).

Conclusions

For the flow of water in the flysch rocks the fractured and

permeable zone, with a maximum thickness of 100 m, is very

important.  The  thickness  of  this  zone  varies  and  depends

mainly on lithological development of the flysch deposits and

on their morphological position. This zone is thin (only 20–

50 m), in the clay-shale of the Szaflary and Zakopane Beds,

and it is thicker in the sandstones of the Chocho³ów Beds (80–

100 m). An increased fissuring of the rock massif is observed

especially in the zones of discontinuous dislocations, which

are preferable routes of water circulation, transport the largest

amount of water and play a draining function with respect to

water  circulating  in  small  fissures.  Numerous  joints  and  a

strong  fissuring  of  the  rocks  results  in  a  diversified  water

flow rate.

By hydraulic analogy between water-injection into a bore-

hole  and  a  well  pumping,  the  following  conclusions  can  be

drawn based on the obtained results. The average depth of the

wells drilled in a search for water should not exceed 50 m in

the shaly Szaflary and Zakopane Beds, and 100 m in the sand-

stone-shaly  Chocho³ów  Beds.  Deeper  wells  can  be  drilled

only in strongly tectonized areas, where a thinner aquifer is

expected. Similar conclusions have been reported earlier on

the basis of Jetel’s (1985) studies performed in other parts of

the Carpathains.

References

Bober L. & Oszczypko N. 1964: Relation of jointing to water con-

tents  in  the  Magura  sandstones  from  Œnie¿nica  (Beskid

Wyspowy).  Kwart.  Geol.  8,  3,  626–639  (in  Polish,  English

summary).

Bober L., Drath I. & Nowak W. 1964: Geological engineering docu-

mentary — Jurgów region.  Arch. PIG OK. Kraków (in Polish)

1–53.

Boretti-Onyszkiewicz W. 1968: Joints in the flysch of the Western

Podhale.  Acta  Geol.  Pol.  18,  1,  101–152  (in  Polish,  English

summary).

Bromowicz  J.  &  Rowinski  Z.  1965:  Some  remarks  on  the  sand-

stones from the Podhale flysch. Kwart. Geol. 9, 4, 838–856 (in

Polish, English summary).

Chowaniec  J.  1978:  Hydrogeologic  characteristics  of  the  western

Podhale in the region of Koœcielisko. Kwart. Geol. 22, 4, 940

(in Polish).

Chowaniec  J.  1989:  Hydrogeological  conditions  of  groundwater

recharge  and  flow  in  the  Tertiary  deposits  of  Podhale  be-

tween Zakopane and Bia³y Dunajec. Arch. PIG OK. Kraków,

1–144 (in Polish).

Chowaniec J., Oszczypko N. & Witek K. 1983: The hydrogeologi-

cal  characteristics  of  the  Krosno  Beds  in  the  Central  Car-

pathain  Depression.  Kwart.  Geol.  27,  4,  797–810  (in  Polish,

English summary).

Drath I., Oszczypko N. & Œl¹czka A. 1964: Geological engineering

characteristics of the Szaflary region. Arch. PIG OK. Kraków,

1–37 (in Polish).

Dziewañski  J.  1962:  Testing  of  anti-filtration  screen  for  Mycz-

kowce dam on the San river. Geotechn. i Hydrogeol. 2, 33–69

(in Polish).

Go³¹b J. 1959: On the geology of the Western Podhale flysch area.

Biul. Inst.Geol. 149, 225–239 (in Polish, English summary).

Jetel  J.  1985:  Vertical  variations  in  permeability  of  flysch  rocks

Czechoslovak Carpathians. Kwart. Geol. 29, 167–178.

Kêpiñska B. 1997: Geologic-geothermal model of the Podhale Ba-

sin. Studia, Rozprawy, Monografie. CPPGSMiE PAN Publish-

er, Kraków, 1–111 (in Polish).

Liszkowski J. & Stochlak J. Eds. 1976: Fracturing of rock massifs.

Wyd. Geol. Warszawa, 1–312.

Ma³ecka  D.  1981:  Hydrogeology  of  Podhale.  14.  Wyd.  Geol.

Warszawa, 1–187 (in Polish).

Ma³ecka D. & Murzynowski W. 1978: Hydrogeologic regions of the

Flysch  Carpathians.  Wiad.  Inst.  Melior.  i  U¿ytk.  Ziel.  Wiad.

IMUZ Publisher, 56, Warszawa, 1–46 (in Polish).

Mastella L. 1975: Flysch tectonics in the eastern part of the Podhale

Basin. Roczn. Pol. Tow.Geol. 45, 3–4, 361–401 (in Polish, En-

glish summary).

Michalik  A.  Eds.  1963:  Geologic-engineering  documentary  for

Kojsówka reservoir. Arch. PIG OK. Kraków, 1–59 (in Polish).

Monkiewicz Z. 1966: Geologic-engineering documentary for the pro-

jected dam in Kojsówka. Arch. PIG OK. Kraków, 1–146 (in Pol-

ish).

Niedzielski H. 1974: Water pressure tests of flysch rocks in selected

areas  of  the  Carpathians.  Roczn.  Pol.  Tow.  Geol.  44,  1,  115–

137 (in Polish, English summary).

Oszczypko N. 1966: Influence of fissuring upon permeability of the

Szaflary  Beds.  Kwart.  Geol.  10,  820–831  (in  Polish,  English

summary).

Oszczypko N., Chowaniec J. & Koncewicz A. 1981: Water pressure

tests of the Magura sandstones. Roczn. Pol. Tow.Geol. 51, 1, 2,

273–302 (in Polish, English summary).

Pokorski J. 1965: Occurrence of cleavage the flysch deposits of the

Eastern Podhale region. Kwart. Geol. 9, 3, 616–623 (in Polish,

English summary).

Watycha L. 1959: Comments on geology of the Podhale flysch in

the eastern part of the Podhale Basin. Prz. Geol. 7, 8, 350–356

(in Polish).

Wieczysty  A.  1970:  Engineering  hydrogeology.  Warszawa,  1–815

(in Polish).