background image

www.geologicacarpathica.sk

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

, AUGUST 2012, 63, 4, 343—351                                                     doi: 10.2478/v10096-012-0027-1

Natural radioactive nuclides in the thermal waters of the

Polish Inner Carpathians

JAKUB NOWAK

1

, DINH NGUYEN CHAU 

1

 

and LUCYNA RAJCHEL

2

1

Faculty of Physics and Applied Computer Science, AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Poland;   Nguyen.Chau@fis.agh.edu.pl

2

Faculty of Geology, Geophysics and Environmental Protection, AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30,

30-059 Kraków, Poland

(Manuscript received April 27, 2012; accepted in revised form June 13, 2012)

Abstract: The chemical compositions and activity concentrations of 

238

U, 

234

U, 

226

Ra, 

228

Ra and 

222

Rn were measured

in the thermal waters occurring in the Podhale Trough. This region, part of the Polish Inner Carpathians, is the artesian
basin situated between two groundwater recharging zones, the Tatras to the south and the Pieniny Klippen Belt to the north.
The thermal water samples were collected from nine selected boreholes with the depths from 1113 m (Zakopane IG-2) to
5526 m (Bańska Niżna IG-1). The waters belong to four hydrochemical types: HCO

3

-SO

4

-Ca-Mg-Na, SO

4

-HCO

3

-Cl-Na-Ca,

SO

4

-Ca-Na and SO

4

-Cl-Ca-Na. Their mineralization and temperature range from several hundreds to 2500 mg/l and

23.9 to 86.3 °C, respectively. Excluding the waters from the Szymoszkowa GT-1 and Chochołów PIG-1 boreholes, the
activity concentrations of the uranium and radium isotopes in the waters are relatively low and vary from decimals to
above ten mBq/l and from several tens to about 600 mBq/l, respectively. They are classified as radon-poor waters. The
phenomena mentioned seem to be characteristic of the waters draining limestone formations overlaying the crystalline
rocks, namely the principal aquifers in the Tatras. The significant levels of the uranium and radium activity concentra-
tions in the waters from Szymoszkowa GT-1 and Chochołów PIG-1 can be connected with the presences of Lower
Triassic black shales with tuffites rich in uranium in the respective recharge areas. Comparing the parameters of the
Podhale thermal waters with those of some selected thermal waters occurring in other regions of Poland and in north-
west Croatia, the French Massif Central, Spanish Andalusia and north-east Tunisia, the authors found that the tempera-
ture of the thermal waters is contained between 16 and about 100 °C; the mineralization and concentrations of radionu-
clides vary in broad intervals and are considerably affected by the lithology and the geological structure of the region.
The 

226

Ra activity concentration exceeds that of 

228

Ra in almost each of the thermal waters compared, which is similar

to the waters from Podhale.

Key words: Inner Carpathians, Poland, thermal water, mineralization, natural radioactivity.

Introduction

Thermal water is defined when the temperature of groundwa-
ter at its outflow is higher than the annual average temperature
of the air in the region. In Poland groundwater is regarded as
thermal if its temperature exceeds 20 °C. Thermal waters were
initially used in medicine, then for heating purposes, and now-
adays thermal water is also utilized in power plants (Kępińska
2006)  and  even  as  drinking  water  (Marović  et  al.  1995;
Baradács et al. 2001; Gallup 2007). In some countries investi-
gations of the natural radioactive elements in the thermal wa-
ters have been carried out in recent years (e.g. Marović et al.
1995;  Szerbin  1996).  In  Poland  there  were  some  investiga-
tions dealing with the problem of radionuclides in waters, but
concerned  mainly  with  mineral  waters  (Kozłowska  2009;
Chau at al. 2010; Grabowski et al. 2010). The contribution of
the 

226

Ra and 

228

Ra isotopes to the total activities of the alpha

and beta nuclides in groundwaters is often significantly large
in comparison with that of other radioactive elements and con-
centrations of radium isotopes increase with the aquifer depths
(Asikainen & Kahlos 1979; Chau et al. 2011).

A  high  temperature  of  thermal  waters  is  mainly  associated

with substantial depths of their aquifers and/or is characteristic

of volcanic regions. Some scientists observed that volcanic ac-
tivity and also earthquakes affect another parameter, namely the
radon concentrations of such waters (Belin et al. 2002; Erees et
al. 2007; Whitehead et al. 2007; Chaudhuri et al. 2010).

The  aims  of  this  work  included  determinations  of  the

radioactivity  (activity  concentrations  of 

222

Rn  and  radium

and uranium isotopes: 

228

Ra, 

226

Ra, 

238

U, 

234

U) and chemical

composition  of  thermal  waters  occurring  in  the  Podhale
Trough of the Polish Inner Carpathians. The radioactive data
were  interpreted  regarding  the  temperature  and  mineraliza-
tion  of  the  waters  as  well  as  the  geological  conditions  of
their  aquifers.  The  data  on  the  Podhale  waters  were  com-
pared with those of the thermal waters occurring in selected
regions  of  Poland  and  in  north-west  Croatia,  the  French
Massif Central, Spanish Andalusia and north-east Tunisia.

Study region

The Podhale Trough is located between the Tatra Mts to the

south  and  the  Pieniny  Klippen  Belt  to  the  north  (Fig. 1a).
Structurally,  the  Tatras  are  composed  of  the  crystalline  core,
made up of a Carboniferous granitoid intrusion and its meta-

background image

344

NOWAK, CHAU and RAJCHEL

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

morphic envelope. The crystalline rocks are overlain, but only
from the N, by the Permian-Cretaceous sedimentary cover de-
veloped  structurally  as  two  sub-Tatra  and  high-Tatra  nappes
(Książkiewicz 1972).

The  Podhale  Trough  is  a  broad  syncline  filled  with  the

Eocene-Oligocene  flysch  series  (Podhale  flysch)  about
3000 m  thick  that  overlay  from  the  N  Tatra  nappe  structures
composed mainly of the Mesozoic carbonate rock sequences.
The oldest member of the Trough, directly laying on the Tatra
nappe rocks, is represented by the sediments of the so-called
nummulite  Eocene:  a  complex  of  conglomerates,  coarse-
grained  sandstones,  detrital  limestones,  dolomites  and  num-

Fig. 1. Location of the water sampling points in the Podhale Trough (a) and a geological
cross-section of the region (after Chowaniec 2003, modified) (b).

mulite limestones. The next in the profile are
the  Oligocene  Szaflary  Beds,  developed  as
sandstones,  conglomerates,  mudstones  and
shales, followed by the Oligocene Zakopane
Beds,  represented  by  shales,  conglomerates,
sandstones  and  ferruginous  dolomites.
The  sandstone-mudstone  Chochołów  Beds
make  up  the  upper  part  of  the  profile  and
are  overlain  in  the  western  part  of  the
Podhale Trough by the thick-bedded sand-
stones  with  insets  of  shales  belonging  to
the  Ostrysz  Beds  (Książkiewicz  1972).
Conglomeratic-sandy  covers  and  colluvia
are Quaternary deposits.

The massif of the Tatra Mts has most ef-

fect  on  the  hydrogeological  conditions  of
the Podhale Trough, which is a classical ar-
tesian  basin.  The  origin  of  the  thermal  wa-
ters  is  associated  mainly  with  meteoric
waters that recharge fractured and karstified
Mesozoic  and  Eocene  limestones  of  the
Tatra  cover  laying  on  the  crystalline  core
(Fig. 1b).  These  sediments  dip  to  the  north
under  impermeable  and  weakly  permeable
strata  of  the  Podhale  flysch.  The  Pieniny
Klippen Belt, which forms the northern clo-
sure of the Podhale Trough (Małecka 1981)
makes an impermeable barrier for the waters
flowing  from  S.  The  thermal  waters  of  the
Podhale  Trough  migrate  through  the  rocks
of low permeability but a high level of frac-
turing particularly in fault zones.

Measurement methods

Radionuclides and chemical composition

To  determine  the  uranium  isotopes,  the

water  samples  of  5 l  were  reduced  by
evaporation  to  about  1 l  and  uranium  was
co-precipitated  with  MnO

2

  in  a  form  of

uranyl ammonium [(NH

4

)

2

U

2

O

7

]. The tracer

232

U  standard  solution  of  about  100 mBq

activity was added to each water sample at
the beginning of the evaporation. Then ura-
nium  ions  were  separated  out  from  other

ions in the precipitate using the procedure described in detail
by  Kronfeld  (1974)  and  modified  by  Skwarzec  (1997).  The
final  precipitate  was  placed  onto  a  plastic  membrane  filter
with  porosity  of  0.1 µm.  The  activity  of  uranium  isotopes
was  measured  using  an  alpha  spectrometer  Canberra™
model  7401.  The  measurement  time  lasted  until  a  relative
standard  uncertainty  of  the  net  count  rates  under  the

232

U peak lower than 2 % was obtaining.

Radium isotopes were determined in 2-liter water samples.

Radium ions were co-precipitated with barium as a sulphate
compound and separated from other isotopes in the precipi-
tate  following  the  procedure  described  in  detail  by  Tomza

background image

345

NATURAL RADIOACTIVE NUCLIDES IN THE THERMAL WATERS OF THE POLISH INNER CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

(1975).  Next  the  sample  was  transferred  into  a  22 ml  glass
vial and mixed with 12 ml of the Packard™ gel scintillation
cocktail. The radium isotopes activity was measured using a
Wallac™ Gardian Liquid Scintillation counter.

Determinations  of  the 

222

Rn  activity  concentration  were

made on water samples collected “under the cap” at the lami-
nar water flow (these condition assure that the radon would
not  escape  from  the  sample)  into  glass  bottles  with  the
volume 0.5 l. The samples were transported to the laboratory
as fast as possible. To make a correction for fast radon decay
(T

1/2

= 3.82  days),  the  sample  collection  times  were  noted

and  a  time-radon  amount  correcting  factor  was  introduced.
The radon activity was measured in a mixture of 10 ml of the
collected water sample with 10 ml of a PerkinElmer™ min-
eral  oil  liquid  scintillator  placed  in  the  glass  vial  using  a
Wallac™ Gardian Liquid Scintillation counter.

The  chemical  composition  was  determined  using  a

PerkinElmer™  ICP-AES  spectrometer  with  the  Merck™
multi-element standards.

The temperature and acidity (pH) of the water were measured

directly  at  the  borehole  using  a  WTW™  pH  340/ION  device
calibrated with the standard Hamilton Duracal™ solution.

Detection limits of the methods

The low limit detection (LLD) of a given method was esti-

mated according to the formula described by Currie (1968):

LLD=k ·

b

where k – arbitral coefficient equal to 2.75, 

b

 – uncertain-

ty of the blank sample measurement. The 

value

 

is mainly

controlled  by  the  chemical  compounds  used  in  preparation
as  well  as  instrumental  and  measurement  conditions.  Blank
samples  were  prepared  using  distilled  water.  The  detection
thresholds are: for the uranium isotopes 0.5 mBq, for 

222

Rn

0.5 Bq and for 

226

Ra and 

228

Ra 5 mBq and 10 mBq, respec-

tively (Chau 2010).

The  detection  threshold  of  the  ICP-AES  method  depends

on the element assayed for and varies from a few to several
hundred ppb.

Results and discussion

Thermal waters in the Inner Carpathians

The  results  obtained  are  presented  in  Tables 1  and  2.  The

temperature  and  mineralization  of  the  waters  vary  from  26.6
to 86.3 °C and 330 to 2500 mg/l, respectively, and clearly re-
late both to the depth of the aquifers and the distance between
the  water  wells  and  the  Tatra  Mts  (Fig. 2a—d).  The  linear
dependence  of  the  water  temperature  on  the  depth  aquifer
reveals that the waters are heated up by geothermal degree.

The activity concentrations of 

234

U and 

238

U excluding the

water from Szymoszkowa GT-1 vary from 1.1 to several tens
mBq/l.  The  uranium  concentration  neither  depends  on  the
water  temperature  nor  on  the  aquifer  formation  depth
(Fig. 3a,b).  In  each  water  the  activity  concentration  of 

234

U

exceeds that of 

238

U, the phenomenon being the consequence

of the recoil effect (Osmond 1980).

The activity concentrations of 

226

Ra and 

228

Ra range from

29  to  over  2200 mBq/l  and  25  to  359 mBq/l,  respectively

Concentrations of major ions [mg/l] 

Borehole 

Borehole 

depth [m] 

Temp. 

[°C] 

pH 

TDS

[mg/l] 

SO

4

2–

 HCO

3

 Cl

 Na

+

 

K

+

 Ca

2+

 Mg

2+

 

Bukowina Tatrzańska 

PIG/PNiG-1 3780  64 7.0 1510  763 159 

113 160  17.7 

 

184  15.5 

Białka Tatrzańska GT-1 

2500 

75 

6.8 

1980 

671 

252 

379 

314 

   33.9   183 

42.8 

Bańska Niżna PGP-1 

3242 

   86.3 

8.2 

2500 

818 

334 

492 

470 

   41 

 188 

40.0 

Bańska Niżna IG-1 

5526 

80 

6.5 

2330 

756 

285 

482 

432 

   42.6   183 

34.9 

Zakopane IG-2 

1113 

   23.9 

7.5 

  349 

  16 

239 

    8.60      2.27       1.13     46.0 

22.4 

Zakopane IG-1 

3073 

   34.2 

7.4 

  368 

     39.1 

220 

    3.60    10.1 

     3.32     45.4 

20.5 

Szymoszkowa GT-1 

1737 

   26.6 

7.7 

  333 

       4.5 

241 

    3.60      5.35       1.60  

 

 

40.0 

22.8 

Poronin PAN-1 

3003 

63 

7.5 

1140 

n/a

 

n/a n/a n/a n/a n/a n/a 

Chochołów PIG-1 

3572 

82 

n/a 

1260 

607 

194 

  27.2 

  87.7 

   18.5   191.9 

40.8 

      1

TDS — total dissolved solids (mineralization); n/a — not analysed 

 

Table 2: The activity concentrations of radon-222, radium and uranium isotopes in the thermal waters of the Podhale Trough.

Table 1: The physical and chemical properties of the thermal waters of the Podhale Trough.

Radium isotopes [mBq/l] 

Uranium isotopes [mBq/l] 

Borehole 

222

Rn 

[Bq/l] 

226

Ra 

228

Ra 

226

Ra/

228

Ra 

234

238

234

U/

238

Bukowina Tatrzańska PIG/PNiG-1 

   2.9 

595 

     359 

1.66 

      13 

     1.1 

    11.8 

Białka Tatrzańska GT-1 

n/a

342 

     106 

3.22 

  5.3 

     3.4 

1.58 

Bańska Niżna PGP-1 

   0.2 

589 

79 

7.45 

  5.9 

     3.1 

1.90 

Bańska Niżna IG-1 

570 

     171 

3.33 

  4.8 

     3.7 

1.30 

Zakopane IG-2 

18.7 

294 

32 

9.20 

  7.6 

     2.9 

2.62 

Zakopane IG-1 

   0.2 

  29 

25 

1.16 

  4.7 

     2.5 

1.88 

Szymoszkowa GT-1 

25.4 

309 

34 

9.08 

    313 

     328 

0.95 

Poronin PAN-1 

n/a

 

254 

25 

      10.2 

58.5 

41 

1.43 

Chochołów PIG-1 

n/a 

     2250 

25 

      90 

  5.9 

     2.7 

2.19 

  

1

n/a — not analysed 

background image

346

NOWAK, CHAU and RAJCHEL

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

(Table 2), and in each thermal water the activity concentra-
tion  of 

226

Ra  exceeds,  usually  considerably,  that  of 

228

Ra.

The  data  reported  by  Lućivjanski  (1999)  and  Chau  et  al.
(2012),  show  that  in  the  Carpathian  waters  we  can  observe
that if the mineralizations of the thermal and mineral waters
are comparable, the radium isotope concentrations in thermal
waters  are  often  significantly  higher  than  those  in  mineral
ones. On the other hand, the uranium activity concentrations
are in the same range in both types of waters and vary from
decimals  mBq/l  to  several  tens  mBq/l.  Radium  belongs  to
the group of the alkaline earth elements and its geochemical
properties  are  similar  to  those  of  calcium  and  magnesium,

Fig. 2. Temperature and mineralization of the analysed thermal waters versus aquifer depth (a, b) and the Tatra Mts-water well distances (c, d).

Fig. 3. The relations between the activity concentration of uranium isotopes and temperature (a) and depth of the aquifer formation (b).

whose  ions  are  major  components  of  water.  Therefore,  the
radium  activity  concentration  should  increase  with  water
mineralization and with the depths of the water-bearing for-
mations as well as with the distance between the water wells
and the Tatra Mts (Fig. 4a—c).

The 

222

Rn concentrations in the waters studied are low and

vary from tenths Bq/l to 30 Bq/l. Such low levels are charac-
teristic  of  the  limestone  aquifer  and,  additionally,  of  high
temperatures of the water.

Generally, the Podhale Trough is composed of flysch for-

mations  (sandstones  and  shales,  minor  conglomerates).  The
uranium  and  thorium  contents  of  these  rocks  range  from  a

background image

347

NATURAL RADIOACTIVE NUCLIDES IN THE THERMAL WATERS OF THE POLISH INNER CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

few to ca. 30 Bq/kg (Plewa & Plewa 1992), but the concentra-
tions  of  natural  radionuclides  in  the  water  samples  from
Szymoszkowa  GT-1  and  Chochołów  PIG-1  are  elevated  in
comparison to those in the waters from other sampling sites.
Such relations must be connected with the lithology and geo-
logical structure of the Tatras and, particularly with a presence
of rocks of significant uranium concentrations drained by the
two  waters.  It  is  worth  adding  that  in  the  Dolina  Białego
Valley  of  the  Tatras  the  exploitation  work  for  uranium  was
carried out in Lower Triassic black shales with tuffites in the
1950s.  Considering  only  minor  amounts  of  this  element,  its
exploitation stopped, but is witnessed by two adits ca. 500 m
long (Grodzicki 1993; Szczepanek 2003; Bac-Moszaszwili &
Jurewicz  2010).  The  radon  concentrations  and  gamma  ray
dose  rates  measured  in  these  adits  are  significantly  high  and
range  from  600  to  15,000 Bq/m

3

  and  from  40  to  above

5500 nSv/h, respectively (Kozak et al. 2010).

Comparisons

In order to understand  better the factors controlling the lev-

el of the radioactive nuclides, dissolved materials and temper-
ature  of  the  thermal  waters  concerned,  the  authors  attempted
to compare the data obtained with those already published.

Some examples from Poland

In Poland apart from the Inner Carpathians, thermal waters

also  occur  in  some  regions  such  as  the  Outer  Carpathians,
the Sudetes and central Poland.

The  Outer  Carpathians  localized  north  of  the  Inner

Carpathians are composed principally of the thick Cretaceous-
Miocene  flysch  formations  folded  in  different  forms.  On  the
basis  of  the  sediment  type  and  the  shape  of  folds,  the  Outer
Carpathians are divided into different units. In contrast to the
Inner Carpathians, the Outer Carpathians are very rich in min-
eral waters, whereas thermal waters can be found in only a few
places such as Lubatówka and Ustroń. Both sites belong to the
Silesian Unit, Lubatówka being situated in its eastern part, and
Ustroń in the western part. The groundwaters occurring in the
Eastern  Outer  Carpathians  often  belong  to  the  Cl-HCO

3

-Na

hydrochemical  type  and  their  mineralization  ranges  from  a
few to 20 grams/l. Oil and gas deposits also occur in this re-
gion. The waters in the Outer Western Carpathians often be-
long to the Cl-Na-Ca type, their mineralization is considerably
higher than that of the Outer Eastern Carpathians and reaches
even above 100 g/l (Ciężkowski et al. 2010).

The Sudetes are composed mainly of a complex mosaic of es-

sentially igneous and metamorphic rock types and, as a result,
water  migrates  horizontally  and  vertically  through  fractures
connecting  very  different  rock  formations.  The  mineralization
of  the  groundwater  of  the  region  is  generally  low  and  ranges
from a few tenths to a few g/l (Ciężkowski et al. 2010).

The central part of Poland belongs to the so-called hydro-

logical  province  of  the  Paleozoic  Platform.  The  sandstone
formations are major aquifers in the province and the Cl-Na
is  the  common  hydrochemical  type  of  the  groundwaters  in
the region (Paczyński & Płochniewski 1996).

The measured physical parameters, chemical composition

as  well  as  activity  concentrations  of  some  selected  thermal

Fig. 4.  The  relations  between 

226

Ra  and 

228

Ra  activity  concentra-

tions in thermal waters analysed and the mineralization (a), aquifer
depth (b) and the Tatra Mts-water well distances (c).

background image

348

NOWAK, CHAU and RAJCHEL

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

Radium isotopes [mBq/l] 

Uranium isotopes 

[mBq/l] 

Borehole  

222

Rn 

[Bq/l] 

226

Ra 

228

Ra 

226

Ra/

228

Ra 

234

238

234

U/

238

Lubatówka 12 

     2.9     1420 

1390 

1.02 

    7.7      2.7 

2.85 

Ustroń U-3 

   33 

 57700  13100 

4.41 

    7.7    22.1 

0.35 

Ustroń U-3A 

   36 

 65000  13700 

4.74 

    9.6      4.8 

2.09 

Lądek Zdrój L-2 

 145 

       23 

23 

1.00 

    0.62      0.91 

0.68 

Duszniki Zdrój GT-1       3.4     3270 

910 

3.59 

  32.3    14.5 

2.23 

Cieplice C-1 

     8.1         19 

 10 

n/e

   0.5     0.5 

n/e

 

Uniejów PIG/AGH-2      2.1       532 

609 

0.87 

    0.95     0.5 

n/e 

Poddębice GT-1 

     5.1         41 

60 

0.68 

   0.5     0.5 

n/e 

Mszczonów IG-1 

     3.1         42 

50 

0.84 

   0.5      1.49 

0.34 

        1

 not estimated 

Table 4: The activity concentrations of radon-222, radium and uranium isotopes
of some selected thermal waters of Poland (Przylibski et al. 2012).

Concentrations of major ions [mg/l] 

Borehole  

Geological unit 

Borehole 

depth[m] 

Temp 

[°C] 

pH 

TDS 

[mg/l] 

SO

4

2–

 HCO

3

 

Cl

 Na

+

 

K

+

 Ca

2+

 Mg

2+

 

Lubatówka 12 

        960 

24 

7.1  17700       0.5 

4270   7090 

 5910 

   37.3       51.6       57.2 

Ustroń U-3 

      1728 

23 

6.9  101000   370 

79  62400 

26400 

 579 

 8290 

 2530 

Ustroń U-3A 

Outer Carpathians 

    17310 

21 

6.7  117000   426 

101  71700 

30800 

 727 

 9410 

 2660 

Lądek Zdrój L-2 

        700 

43.6  9.2 

   201     21.6 

24           5.6         49 

     0.78         3.05         0.01 

Duszniki Zdrój GT-1 

      1695 

28.3  6.8 

 3430     72.2 

2330           8.92      301 

 182 

   297 

     95.1 

Cieplice C-1 

Sudetes 

(Lower Silesia) 

      2002 

65.3  7.8 

   663   153 

146         42.5       153 

     5.1         7.8         0.02 

Uniejów PIG/AGH-2 

      2025 

63.9  7.0 

 6770     98.0 

296     3770 

   2350 

   28.9     141 

     27.7 

Poddębice GT-1 

      2039 

49.0  7.3 

   461     14.3 

262         21.6         78.8       4.50       23.9         4.22 

Mszczonów IG-1 

central region of 

Poland 

      1793 

41.8  7.3 

   292       3.37 

320           7.59        30.7     11.1       53.1       11.7 

 

Table 3: The physical and chemical properties of some selected thermal waters of Poland (Przylibski et al. 2012).

waters occurring in the mentioned regions are summarized in
Tables 3 and 4. The temperatures of the waters from other re-
gions  of  Poland  are  contained  within  the  same  interval  of
those  of  the  waters  of  Podhale  (Table 3).  The  mineralization
values  of  the  waters  from  the  Sudetes  are  similar,  but  those
from  central  Poland  and,  particularly,  from  the  Outer
Carpathians (Lubatówka and Ustroń) are considerably higher
in  comparison  with  those  obtained  for  the  waters  from  the
Podhale  Trough.  Generally,  the  uranium  activity  concentra-
tions  of  the  Polish  waters  compared  are  low  and  contained
within the same range, however the activity concentrations of
radium isotopes vary considerably in a wide interval (from ca.

20 to 65,000 mBq/l). The radon activity concen-
tration  in  the  water  from  Lądek  (the  Sudetes)  is
the  highest  and  amounts  to  145 Bq/l.  Such  high
values must be connected with emanations of ra-
don from uranium-rich granites into the water.

The relations between the temperature, miner-

alization and the aquifer depth for all the Polish
thermal  waters  are  shown  in  Figure  5a  and  5b.
Except  for  the  water  of  Lądek  (L-2),  the  water
temperature  increases  with  the  depth  of  aquifer
(Fig. 5a), which can be explained by the geother-
mal gradient. Though the depth of the aquifer in
Lądek Zdrój (the Sudetes) is shallow in compari-
son  with  other  aquifers  (700 m),  the  water  tem-
perature  is  relatively  high  (43 °C).  This  could
result from ascension of waters from deeper for-

Fig. 5. The relations between the temperature (a) and mineralization (b) of some Polish thermal waters and the depths of the aquifer formations.

mations  migrating  through  rock  fissures  (Ciężkowski  et  al.
2011). The relation between the water mineralization and the
aquifer  depth  seems  to  be  complicated  and  depends  on  the
geology of the individual region (Fig. 5b).

The  activity  concentrations  of  radium  isotopes  increase

with the mineralization for all Polish thermal waters in ques-
tion  (Fig. 6).  It  is  worth  adding  that  the  activity  concentra-
tion  of 

226

Ra  is  lower  than  that  of  the 

228

Ra  for  the  waters

from the central region of Poland. This is probably related to
the 

232

Th activity concentration exceeding that of the 

238

U in

the  sandstone  formation,  which  is  the  main  aquifer  in  the
central region of Poland.

TDS – Total dissolved solids

background image

349

NATURAL RADIOACTIVE NUCLIDES IN THE THERMAL WATERS OF THE POLISH INNER CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

Fig. 6.  The  relations  between  activity  concentrations  of  radium
isotopes and mineralization of some Polish thermal waters.

Some examples from outside Poland

On the basis of the data concerning the temperature, mine-

ralization and uranium and radium activity concentrations of
some  selected  thermal  waters  from  north-west  Croatia
(Marović  et  al.  1996),  the  French  Massif  Central  (Rihs  &
Condomines 2002), Spanish Andalusia (Due±as et al. 1998)
and from north-east Tunisia (Labidi et al. 2002), the values
of  statistical  parameters  were  estimated  and  summarized
(Table 5). The following remarks have arisen from the analy-

sis of these data. (1) The temperature of the thermal waters
compared  ranges  from  15  to  near  100 °C.  (2)  The  mineral-
ization and radium isotopes concentrations vary in broad in-
tervals.  (3) The  median  values  of  mineralization  and  the
activity  concentrations  of  radium  and  uranium  isotopes  are
much lower than average, so we can state that for every re-
gion  the  number  of  the  waters  with  low  mineralization  and
low  radioactivity  level  is  far  larger  than  that  of  the  waters
with high mineralization and high radioactivity level. (4) Gen-
erally, the activity concentrations of uranium isotopes are far
lower than those of radium isotopes. (5) In most of the thermal
waters compared, the activity concentration of 

228

Ra is lower

than  that  of 

226

Ra.  This  must  be  connected  with  radioactive

characteristics of most aquifers, in which the 

238

U concentra-

tions are higher than those of 

232

Th.

Conclusions

For  several  years  the  Podhale  thermal  waters  have  been

well known and used in heating and for therapeutic purpos-
es, but their radioactive properties have been investigated for
a relatively short time.

The temperature of the waters of the Podhale Trough ranges

from 26 to about 100 °C and increases with the depth of the
host rock formations.

The mineralization of the Podhale Trough thermal waters

is relatively low, and varies from 330 to 2550 mg/l. The con-

Table 5: Statistical values of TDS (total dissolved solids), temperature, 

238

U, 

226

Ra and 

228

Ra activity concentrations of some selected ther-

mal waters occurring outside Poland (Marović et al. 1996; Duenas et al. 1998; Rihs & Condomines 2002; Labidi et al. 2002).

No. of 

Statistic 

TDS 

238

234

226

Ra 

228

Ra 

Region 

samples paramet. 

Temperature 

[°C] 

[mg/l] [mBq/l] [mBq/l] [mBq/l] [mBq/l] 

min 

22 

 

 

 

    87 

 

max 96 

 

 

  6200 

 

average 46 

    

1322 

 

median 

40 

 

 

 

     283.5 

 

Croatia 

[Marović 
et al. 1996] 

12 

stand. dev. 

   23.3 

 

 

 

     895.8 

 

min 

16 

  3608 

  5 

 

  588 

  260 

max 

41 

  5608 

27 

 

2287 

1590 

average 

30 

  4137 

15 

 

1158 

  854 

median 

24 

  4137 

16 

 

  947 

  794 

France  

[Rihs & 
Condomines  
2002] 

stand. dev. 

     9.4 

      746.2 

     8.4 

 

     627.8 

     452.5 

min 

22 

    201 

    0.5 

     0.5 

    19 

     23 

max 

86 

   117000 

        328 

        313 

     65000 

      13700 

average 

   47.9 

14405 

29 

 32 

7404 

 1806 

median 

34 

  1385 

     3.1 

      7.6 

  437 

     79 

Poland 

18 

stand. dev. 

27 

34766 

   83.4 

    79.2 

     19684 

 4382 

min 

15 

    289 

 

 

    15 

 

max 52 

14790 

 

 

1367 

 

average 

28 

  3702 

 

 

  263 

 

median 

21 

  2070 

 

 

  157 

 

Spain 
[Dueñas et 

al. 1989] 

19 

stand. dev. 

   12.4 

     4432.8 

 

 

     328.5 

 

min 

21 

    200 

     1.2 

      1.3 

      2 

       2 

max 

75 

24600 

   69.1 

  153.4 

1630 

  1032 

average 

46 

  6604 

     9.6 

    18.3 

  507 

    177 

median 

45 

  2840 

     4.3 

      7.0 

  358 

    113 

Tunisia 

[Labidi 
et al. 2002] 

24 

stand. dev. 

   15.9 

     7606.3 

   15.5 

    33.0 

  489 

      217.6 

min 29 

   

   

 

120 

 

max 90 

 

 

   

 

700 

 

average 51 

    

 

 

337 

 

median 47 

    

 

 

315 

 

Turkey 

[Belin et al. 
2002] 

36 

stand. dev. 

   13.3 

 

 

 

     156.7 

 

 

˜

background image

350

NOWAK, CHAU and RAJCHEL

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

centrations  of  radium  isotopes  are  relatively  high  and  in-
crease  with  mineralization  and  temperature.  In  the  thermal
waters of Podhale the 

226

Ra activity concentration is consid-

erately higher than that of 

228

Ra. The fact is connected with

much higher activity concentrations of uranium than thorium
in the limestone aquifer.

The  temperature,  mineralization  and  radium  activity  con-

centration  of  the  thermal  waters  increase  with  the  distance
between the well pumping the water and the Tatra Mts.

Generally  the  uranium  concentrations  in  the  investigated

waters are low, ranging from decimals to tens mBq/l, and de-
pend neither on the aquifer depth nor on the water tempera-
ture or its mineralization. Most of the investigated waters are
classified as radon-poor ones.

The concentrations of the natural radionuclides in the wa-

ters  in  sedimentary  rocks  of  the  sub-Tatra  and  high  Tatra
nappes from Szymoszkowa GT-1 and Chochołów PIG-1 are
significantly higher in comparison with those in waters from
other  places  in  the  Podhale  Trough.  It  may  result  from  a
presence of specific, uranium-rich rocks strata drained by the
water pumped from these two localities.

The  mineralization,  activity  concentrations  of  the  natural

radioactive  nuclides  in  the  thermal  waters  occurring  in  the
other  regions  in  Poland  as  well  as  in  some  other  countries
range within far broader intervals in comparison with the re-
spective parameters of the waters from the Podhale Trough.

Generally,  the  heat  of  the  thermal  waters,  particularly  the

Polish ones, results from the geothermal gradient. The radium
activity concentrations increase with water mineralization.

Usually in thermal water the 

226

Ra activity concentration is

far larger than that of 

238

U. This phenomenon is explained by

the differences of geochemical properties of radium and urani-
um in groundwaters, where the reduction conditions are often
prevailing, under such conditions uranium is insoluble, on the
other hand the radium is not effected by the environment.

The activity content of 

226

Ra is higher than that of 

228

Ra in

most of the waters. This is probably connected with the rela-
tion  between  the  uranium  and  thorium  contents  in  the  rock
aquifers.

Acknowledgments: This work was supported by the “Doctus
– Małopolska Scholarship for PhD” co-funded by the Euro-
pean Union (Project No. MCP.ZS.4110-29.1/2009), the stat-
utory  research  of  the  AGH  University  of  Science  and
Technology  (Grants  No’s  11.11.220.01  and  11.11.140.021)
and the funds of the Polish Ministry of Science and Higher
Education (Project No. 3931/B/T02/2010/39).

References

Asikainen M. & Kahlos H. 1979: Anomalously high concentrations

of  uranium,  radium  and  radon  in  water  from  drilled  wells  in
Helsinki region. Geochim. Cosmochim. Acta 53, 1791—1802.

Bac-Moszaszwili  M.  &  Jurewicz  E.  2010:  Voyage  in  Tatras.  TPN,

Zakopane (in Polish).

Baradács E., Hunyadi I., Dezsö Z., Csige I. & Szerbin P. 2001: 

226

Ra

in  geothermal  and  bottled  mineral  waters  of  Hungary.  Radiat.
Measurem
. 34, 385—390.

Belin B., Yalçin T., Suner F., Bozkurtoglu E., Gelir A. & Güven H.

2002: Earthquake-related chemical and radioactivity changes of
thermal water in Kuzuluk-Adapazari, Turkey. J. Environ. Radio-
act
. 63, 239—249.

Chau N.D. 2010: Natural radioactivity of the selected mineral waters

occurring in Polish Carpathians. JAK, Kraków, 1—206 (in Polish).

Chau  N.D.,  Rajchel  L.  &  Nowak  J.  2010:  Natural  radioactivity  of

thermal  waters  of  the  Podhale  Trough  –  preliminary  results.
Nature  of  National  Tatra  Park  and  People,  TI – Sciences  of
Earth
TPN, 111—114 (in Polish).

Chau  N.D.,  Duliński  M.,  Jodłowski  P.,  Nowak  J.,  Różański  K.,

Śleziak  M.  &  Wachniew  P.  2011:  Natural  radioactivity  in
groundwater – a review. Isot. Environ. Health Stud., 415—437.

Chau N.D., Rajchel L., Nowak J. & Jodłowski P. 2012: Radium iso-

topes in the Polish Outer Carpathian mineral waters of various
chemical composition. J. Environ. Radioact. 112, 38—44.

Chaudhuri H., Das N.K., Bhandari R.K., Sen P. & Sinha B. 2010: Ra-

don  activity  measurements  around  Bakreswar  thermal  springs.
Radiat. Measurem. 45, 143—146.

Chowaniec J. 2003: Groundwaters of the Podhale basin. Współczesne

Problemy Hydrogeologii. XI, p. I, Gdańsk, 45—53, (in Polish).

Ciężkowski W., Chowaniec J., Górecki W., Krawiec A., Rajchel L. &

Zuber  A.  2010:  Mineral  and  thermal  waters  of  Poland.  Polish
Geol.  Rev.,  XXXVIII  IAH  World  Congress  on  Groundwater
Quality Sustainability
, Vol. 58, No. 9/1, 762—774.

Ciężkowski  W.,  Michniewicz  M.  &  Przylibski  T.A.  2011:  Thermal

waters  of  Lower  Silesia  (SW  Poland).  In:  Żelażniewicz  A.,
Wojewoda J. & Cieżkowski W. (Eds.): Mesozoic and Cainozoic
of Lower Silesia. WIND, Wrocław, 107—120 (in Polish).

Currie  L.A.  1968:  Limits  for  qualitative  detection  and  quantitative

determination. Anal. Chem. 40, 586—593.

Duenas  C.,  Fernandez  M.C.,  Enriquez  C.,  Carretero  J.  &  Lifer  E.

1998: Natural radioactivity levels in Andalusian spas. Wat. Res.
32, 8, 2271—2278.

Erees  F.S.,  Aytas  S.,  Sac  M.M.,  Yener  G.  &  Salk  M.  2007:  Radon

concentrations in thermal waters related to seismic events along
faults in the Denizli Basin, Western Turkey. Radiat. Measurem.
42, 80—86.

Gallup D.L. 2007: Treatment of geothermal waters for production of

industrial, agricultural or drinking water. Geothermics, 473—483.

Grabowski P., Długosz M., Szajerski P. & Bem H. 2010: A compari-

son  of  selected  natural  radionuclide  concentrations  in  the  ther-
mal  groundwater  of  Mszczonów  and  Cieplice  with  deep  well
water from Łódź city, Poland. Nukleonika 55, 2, 181—186.

Grodzicki J. 1993: Mylna Cave. In: Grodzicki J. (Ed.): The Caves in

the  National  Tatra  Park.  V  2.  PTPNoZ,  Warsaw,  124—131  (in
Polish).

Kępińska B. 2006: Geothermal energy – utilization in the World and

Europe. Polityka Energetyczna 9, 545—556 (in Polish).

Kozak K., Mazur J., Vaupotic I.K., Kobal I., Grządziel D. & Omran

K.M.H. 2010: Natural radioactivity in old uranium mines (The
Valley of Białego) and in Mylna and Mrozna Caves (Kościeliska
Valley). Nature of National Tatra Park and People, TI – Sciences
of Earth, TPN
, 69—77 (in Polish).

Kozłowska  B.  2009:  Natural  radioactivity  of  the  spring  waters  at

the  therapeutic  centers  in  South  Poland.  Silesian  University,
Katowice, 1—254 (in Polish).

Kronfeld J. 1974: Uranium deposition and Th-234 a recoil: An expla-

nation  extreme 

234

U/

238

U  fraction  within  the  Trinity  aquifer.

Earth Planet Sci. Lett. 21, 327—330.

Książkiewicz M. 1972: Carpathians. In: Geology of Poland. T. IV(3).

Wyd. Geol., Warszawa, 1—228 (in Polish).

Labidi  S.,  Dachraoui  M.,  Mahjoubi  H.,  Lemaitre  N.,  Salah  R.B.  &

Mtimet S. 2002: Natural radioactive nuclides in some Tunisian
thermo-mineral springs. J. Environ. Radioact. 62, 87—96.

Lućivjansky L. 1999: Natural radioactivity of water in Slovakia. Slo-

vak Geol. Mag. 5, 53—61.

˜

background image

351

NATURAL RADIOACTIVE NUCLIDES IN THE THERMAL WATERS OF THE POLISH INNER CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 4, 343—351

Małecka D. 1981: The hydrogeology of Podhale Trough region. T14.

Wyd. Geol., Warszawa, 1—187 (in Polish).

Marović G., Sencar J., Franić Z. & Lokobauer N. 1996: Radium-226

in thermal and mineral springs of Croatia and associated health
risks. J. Environ. Radioact. 33, 3, 309—317.

Osmond J.K. 1980: Uranium disequilibrium in hydrologic studies. In:

Handbook of environmental isotopes geochemistry. 1. The ter-
restrial  environment.  Elsevier  Science  Publish  Company,  Am-
sterdam, 259—281.

Paczyński B. & Płochniewski Z. 1996: The Polish mineral and medi-

cine waters. PIG, Warsaw, 1—108 (in Polish).

Plewa  M.  &  Plewa  S.  1992:  Petrophysics.  Wyd.  Geol.,  Warszawa,

248—271 (in Polish).

Przylibski T., Kiełczawa B., Kula A., Kozłowska B., Kłos B., Walen-

cik A., Dorda J., Różański K., Duliński M., Chau N.D., Nowak
J. & Pach F. 2012: Chemical composition, physical properties
and concentrations of radionuclides in selected Polish ground-
waters. Report ser. SPR. I-11/S-2/2012. Part I. Wroclaw Uni-
versity of Technology,
 Wroclaw, 1—11 (in Polish).

Rihs S. & Condomines M. 2002: An improved method for Ra isotope

(

226

Ra, 

228

Ra, 

228

Ra) measurements by gamma spectrometry in

natural waters: application to CO

2

-rich thermal waters from the

French Massif Central. Chem. Geol. 182, 409—421.

Skwarzec B. 1997: Radiochemical methods for the determination of

polonium,  radiolead,  uranium  and  plutonium  in  environmental
samples. Chem. Anal. 42, 107—113.

Szczepanek A. 2003: Valley of Białego, Sarna rock. “Nature traces

follow Stanisław Sokołowski”. National Tatra Park, Zakopane,
1—32 (in Polish).

Szerbin  P.  1996:  Natural  radioactivity  of  certain  spas  and  caves  in

Hungary. Environ. Int. 22, l, 389—398.

Tomza I. 1975: Determination of low radium concentration in miner-

al waters. Proc. Internat. Conf. on Low Radioactivity Measure-
ments  and  Applications.  6—10  Oct.  1975.  The  High  Tatras
,
Czechoslovakia, 387—390.

Whitehead N.E., Barry B.J., Ditchburn R.G., Morris C.J. & Stewart

M.K. 2007: Systematics of radon at the Wairakei geothermal re-
gion, New Zealand. J. Environ. Radioact. 92, 16—29.