background image

GEOLOGICA CARPATHICA

, AUGUST 2017, 68, 4, 318 – 328

doi: 10.1515/geoca-2017-0022

www.geologicacarpathica.com

The pre-Cainozoic basement delineation by 

magnetotelluric methods in the western part  

of the Liptovská kotlina Depression  

(Western Carpathians, Slovakia)

MARIÁN FENDEK

1

, TOMÁŠ GRAND 

2

, SLAVOMÍR DANIEL

2

, VERONIKA BLANÁROVÁ

1

VINCENT KULTAN 

2

 and MIROSLAV BIELIK

1, 3

1 

Faculty of Natural Sciences, Comenius University, Mlynská dolina, Ilkovičova 6, 842 15 Bratislava, Slovakia; fendek@fns.uniba.sk, 

blanarova@fns.uniba.sk, bielik@fns.uniba.sk

2 

KORAL Ltd., Sládkovičová 5, 052 01 Spišská Nová Ves, Slovakia; grand@koral.sk, daniel@koral.sk, kultan@koral.sk

3 

Earth Science Institute of the Slovak Academy of Sciences, Dúbravská cesta 9, 840 05 Bratislava, Slovakia; geofmiro@savba.sk

(Manuscript received September 2, 2016; accepted in revised form March 15, 2017)

Abstract: The geology and hydrogeology of the Liptovská Kotlina Depression were studied by means of new  geo physical 

methods. Controlled source audio-frequency magnetotellurics enabled us to delineate the relief of the pre-Cainozoic 

basement in the western part of the Liptovská Kotlina Depression into two segments with different lithostratigraphic 

units. Our complex findings disprove the interconnection between the Bešeňová and Lúčky water bearing structures 

 located in the study area. The results were interpreted in the form of a resistivity cross section and resistivity model.  

The geological interpretation of the obtained results, taking into account the other geophysical and geological constrains 

showed that the pre-Cainozoic basement has a tectonically disrupted, broken relief. The Bešeňová and Lúčky structures 

appear to be isolated by the Palaeogene sediments (sandstone, claystone) and in the deeper part also by marly carbonates 

and marlstones of the Jurassic age belonging to the Fatricum. It was confirmed that the structural connectivity of 

 geothermal aquifers in the area between the Bešeňová and Lúčky–Kaľameny should not exist. The assumption of  different 

circulation depth was also confirmed by geothermometry and existing radiocarbon analyses applied on groundwater in 

both areas. 

Keywords: geothermal aquifer, mineral water, magnetotellurics, geothermometry, radiocarbon analysis, Liptovská 

 Kotlina Depression, Western Carpathians. 

Introduction

Geological structure is one of the essential conditions for infil-

tration, accumulation and exploitation of geothermal and 

mine ral waters. Successful simultaneous long-term exploita-

tion of both types of groundwater is conditioned by isolation 

of aquifers in respective structures. The structure of the geo-

thermal waters in the western part of the Liptovská Kotlina 

Depression  in  Bešeňová  elevation  and  structure  of  mineral 

waters in Lúčky–Kaľameny area can be used as an example. 

The Liptovská Kotlina Depression is one of the 27 prospective 

geothermal areas of the Slovak Republic. This 611 km

2

 depres-

sion is located in northern Slovakia (Fig. 1a). It is elongated in 

the E–W direction and bordered by the Chočské vrchy Mts., 

Západné Tatry Mts., Veľká Fatra Mts., Nízke Tatry Mts. and 

Kozie Chrbty Mts. The possibility of obtaining and utilizing 

the geothermal and mineral waters in the basin was manifested 

in the past by a number of natural springs of mineral water in 

the area of Bešeňová, Lúčky, Liptovská Štiavnička, Liptovský 

Ján and in other localities. Boreholes were drilled in all of 

these localities in the last century (Remšík & Fendek 2005).

Both structures: (1) structure of geothermal waters in 

Bešeňová and (2) structure of mineral waters in Lúčky are 

located close to each other in the western part of the basin. 

Bešeňová is located in the central western part of the basin; 

the  Lúčky  mineral  water  structure  is  located  on  the 

north-western margin of the basin in the Chočské vrchy Mts. 

(Fig. 1b).  The discharge area of the geothermal structure  

in  Bešeňová  is  located  at  a  distance  of  4.0 – 4.5  km  to  the 

south-east from the area of the mineral water structure in 

Lúčky.

The mineral waters in Bešeňová manifested themselves for 

centuries in the form of natural outflows producing Quaternary 

limestone deposits — travertines. These can be found in the 

surroundings of the village, e.g. in an abandoned travertine 

quarry, but also in travertine cascades, which were included 

into Slovak natural heritage list in 1951. Geothermal water 

exploration in Bešeňová started in the late 1970s by drilling 

the borehole BEH-1. Because of borehole casing corrosion, 

the borehole was destroyed and a new borehole ZGL-1 was 

drilled in 1987 (Fendek 1998). This borehole was the basis  

for  buil ding  of  geothermal  facilities  in  Bešeňová.  It  is 

background image

319

BASEMENT OF THE LIPTOVSKÁ KOTLINA DEPRESSION IDENTIFIED BY MAGNETOTELLURICS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

complemented by two other boreholes FGTB-1 and FBe-1 

(Fendek & Fendeková 2015).

The history of use of mineral springs in Lúčky area as a real 

spa  began  already  in  1761  (Fendek  et  al.  1999).  In  modern 

history, the Lúčky Spa was focusing on the treatment of gyne-

cological and oncological diseases since 1950; however in 

2005 Spa returned to the treatment of the kinetic apparatus, 

also offering suitable conditions for prevention and treatment 

of osteoporosis. Mineral water from the boreholes HGL-3 and 

BJ-101 (Valentina) is being used in all pools and separate spas. 

The water is also suitable for drinking and is available not only 

for the accommodated guests, but also for the general public.

The discussion on possible interferences of water utilization 

from the two structures was raised because of intense utiliza-

tion of geothermal and mineral waters in the area. The use of 

mineral water for curative purposes is preferred to energy use 

in Slovakia, as is codified by Act No. 538/2005 Z.z. on natural 

curative waters, natural curative spas, spa places and natural 

mineral water. 

No structural-geological investigation was done in this area 

up to the present aiming to confirm or disprove the inter-

connection between the two structures, from which water is 

intensively utilized. 

There were three main objectives of the research: (1) to 

delineate the relief of the pre-Cainozoic basement, (2) to seg-

ment it into lithostratigraphic units, and (3) to confirm or 

 disprove the interconnection between the Bešeňová and Lúčky 

water bearing structures. Controlled source audio-frequency 

magnetotellurics (CSAMT) was the main method used. This 

was the first utilization of the CSAMT method in geothermal 

research in Slovakia. The geothermometry and analysis of 

radiocarbon dating results, applied to sources in both areas 

were used as supporting methods.

Hydrogeothermal conditions of the Liptovská 

Kotlina Depression 

The Liptovská Kotlina Depression is an intra-montane 

depression in the Inner Western Carpathians. It is filled by 

Palaeogene sediments with thicknesses ranging from 100 m 

(Bešeňová elevation) to 1700 m (Liptovská Mara depression). 

Palaeogene flysch sediments are represented by alternation of 

clays and clayey shales with sandstones. Clays mostly prevail. 

At the base, basal conglomerates are developed.

The  substratum  consists  of  the  Mesozoic  Hronicum  and 

Fatricum, which form elevated and sunken morphostructures. 

The Hronicum is a higher tectonic unit then the Fatricum  

(Fig. 1b). The lowest tectonic unit is the Tatricum cover Unit 

with the same rock composition as in the Fatricum; however, 

its presence has not been proven yet by drilling works.  

The vertical, tectonically derived superposition of Mesozoic 

successions gave arise to aquifer-aquitard stratification. 

 

The Fatricum is referred as a bottom, while the Hronicum 

Fig. 1. a — Location of the Liptovská kotlina Depression. b — Geological conditions and location of objects of interest in the Liptovská 

Kotlina Depression (Remšík et al. 1998; Maďar et al. 2005). Explanation: 1 — Hronicum (a – bedrock, b – on the surface); 2 — Fatricum  

(a – bedrock, b – on the surface); 3 — cover Unit; 4 — Crystalline; 5 — overthrust line (a – proved, b – assumed); 6 — faults (assumed); 

7 — isolines of the Palaeogene bottom in m a.s.l. (a – proved, b – assumed); 8 — geothermal borehole; 9 — oil borehole. 

background image

320

FENDEK, GRAND, DANIEL, BLANÁROVÁ, KULTAN and BIELIK

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

along with the Central Carpathian Palaeogene Basin (CCPB) 

is referred as a top system. The bottom system includes base 

aquiclude represented by a Lower Triassic horizon typically 

comprising quartzites, sandstones and sandy shales (Werfenian 

shales) beneath the bottom aquifer of Middle Triassic carbo-

nates — limestones and dolomites complex. The aquifer of the 

bottom system is overlain by an aquitard corresponding to 

Upper Triassic–Middle Jurassic organogene and detritic lime-

stones overlapping to Middle Jurassic–Lower Cretaceous 

 pelitic limestones (clayey, marly) that alternate spatially with 

radiolarites, nodular limestones, claystones and marlstones. 

The top hydrogeological system involves aquifers of the 

Hronicum, represented by Middle Triassic carbonates hydrau-

lically connected to CCPB represented by the Middle–Upper 

Eocene Borové basal formation (Gross et al. 1980) composed 

of breccias and conglo merates that pass to detritic carbonates 

and rare organogene limestones; beneath the top aquifuge 

recog nized  as  Upper  Eocene–Oligocene formations  of  Huty 

(claystones dominated) and Zuberec (flysch dominated). 

 

The hydrogeological function of Quaternary cover varies with 

regard to grain size. The maximal thickness of the Hronicum 

sequence is up to 1000 m; The Fatricum sequence reaches the 

maximal thickness of 1500 m (Remšík et al. 2005).

The spatial distribution of the Hronicum and Fatricum in  

the basement of the Palaeogene sediments is very variable 

(Fig. 1b). Both units are presented equally in the western part 

of the basin and they can occur next to each other. The Hroni-

cum dominates in the middle and southern part of the basin, 

whereas the Fatricum sequence prevails in the northern part. 

Sequences of the Hronicum and Fatricum form the mountain 

ranges which surround the basin and represent infiltration 

areas for the hydrogeothermal structures (Remšík & Fendek 

2005).

Hydrogeological conditions in the area are controlled by the 

geological-tectonic structure. Geothermal waters in the 

Liptovská Kotlina Depression are discharged through natural 

springs and boreholes. Beneath the Palaeogene filling there 

may be one to three hydrogeothermal structures positioned 

one above another in which geothermal waters are mostly 

associated with Triassic dolomites and limestones (“carbo-

nates” throughout the following text) of the Hronicum and 

Fatricum and, possibly, also of the cover (autochthonous) Unit 

(Fig. 1b). These hydrogeological structures are largely open 

(having recharge areas on the adjacent slopes of surrounding 

mountains, as well as transit-accumulation and discharge 

areas) or semi-open (discharge area is missing). The Triassic 

carbonate aquifers with geothermal water are from 300 to 

1200 m thick (Remšík et al. 2005). 

The mineral waters in Lúčky are bound to Triassic carbo-

nates of the Fatricum as proved by the results of BJ-101 and 

HGL-3  boreholes  in  Lúčky  (Teplianka  brook  valley)  and 

HGL-2  borehole  in  Kaľameny,  located  in  the  neighbouring 

Kaľamenianka brook valley. Results of geothermal boreholes 

ZGL-1,  FGTB-1  and  FBe-1  in  Bešeňová  showed  that  geo-

thermal waters accumulate in Triassic carbonates of the the 

Hronicum and Fatricum. It is supposed that formation of 

geothermal water takes place in Fatricum carbonates. Both 

structures (Lúčky and Bešeňová) are classified as open struc-

tures with infiltration, transit-accumulation and natural 

 discharge areas (Fričovský et al. 2016).

Geothermal waters occurring in the Hronicum Triassic 

 carbonates at depths of 500 to 2800 m have the temperature of 

20 to 90 ºC while those in similar rocks of the Fatricum at 

depths of 900 to 4000 m could be 25 to 125 ºC hot (Fričovský 

et al. 2014). The temperature of geothermal waters occurring 

in Triassic carbonates of the cover Unit at depths of 2500 to 

5000 m might amount to 70 –150 ºC. It is necessary to accent 

that expected temperatures are given by geological conditions 

and the geometry of the geothermal structure and calculated 

by stationary thermal modelling. Temperatures measured in 

the borehole ZGL-1 Bešeňová in static conditions are given in 

Table 1.

The Liptovská Kotlina Depression is tectonically divided 

into  a  system  of  elevations  and  depressions.  The  Bešeňová 

elevation hydrogeothermal structure is associated with a N–S 

protuberant  morphological  elevation  of  the  pre-Cainozoic 

basement in the western part of the Liptovská Kotlina 

Depression. The elevation is tectonically limited to the sur-

rounding depressed structures. The Ivachnová depression on 

the west is divided by the Bešeňová–Partizánska Ľupča fault 

and Liptovská Mara depression on the east is divided by the 

Liptovské Kľačany–Vlachy–Ľubela fault system (Gross et al. 

1980). The Chočské vrchy Mts. to the north are divided by the 

Prosiecky  fault  (Bezák  et  al.  2004)  and  to  the  south,  fault 

swarms lineate a system to the Nízke Tatry Mts. The Bešeňová 

elevation is considered the most active zone regarding geo-

thermal activity, with a mean heat flow density recalculated 

for 66.04 mW.m

-2

 (Fričovský 2011) in comparison to a mean 

heat flow for the whole Liptovská Kotlina Depression geo-

thermal field calculated for 55 mW.m

-2

. The local maximum 

measured rises to 76.9 mW.m

-2

 in the ZGL-1 Bešeňová bore-

hole within a centre, while the local minimum decreases down 

to 55 mW.m

-2

 towards the southern margin (Král & Remšík 

1996).

Laterally,  the  Bešeňová  elevation  is  recognized  as  an  

open  hydrogeological  structure  (Remšík  &  Fendek  2005). 

Infiltration  zones  are  identified  at  the  distal  northern  slopes  

of  the  Nízke Tatry  Mts.  close  to  Demänova  valley  or  at  its 

Table 1: Temperatures measured in the borehole ZGL-1 Bešeňová at 

static conditions.

Depth (m)

Temperature (°C)

Depth (m)

Temperature (°C)

0

7.0

1100

48.0

100

15.0

1200

52.0

200

19.0

1300

55.0

300

22.0

1400

59.0

400

25.0

1500

62.5

500

28.5

1600

66.0

600

32.0

1700

68.0

700

35.0

1800

71.0

800

38.0

1900

73.0

900

42.0

2000

76.0

1000

45.0

background image

321

BASEMENT OF THE LIPTOVSKÁ KOTLINA DEPRESSION IDENTIFIED BY MAGNETOTELLURICS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

southern margin considered as the preference recharge area 

(Fričovský  et  al.  2016).  However,  there  is  the  migration  of 

 fluids from the Liptovská Mara depression structure (located 

to the east) expected, as shown by analysing the regional 

 piezometric level distribution (Fendek & Remšík 2005). 

The infiltration area of the Lúčky mineral water structure 

was  placed  by  Kullman  &  Zakovič  (1975)  in  the  area  with 

occurrence of the Fatricum carbonates in the upper part of the 

Suchá dolina valley and in the area of occurrence of the 

Hronicum dolomites to the north-east of the Liptovské 

Matiašovce village. The transit-accumulation area was placed 

in the carbonate complex of limestone and dolomites of the 

Fatricum in the Chočské vrchy Mts. between the Suchá dolina 

valley and the Ráztočné valley. The groundwater flows mostly 

along the Prosiecky fault which separates the Chočské vrchy 

Mts. from the Liptovská Kotlina Depression. 

The main Ca-Mg-HCO

3

-SO

4

 chemical type of geothermal/

mineral water prevails in the basin, values of total dissolved 

solids (T.D.S.) amount to about 0.4–5.0 g.l

-1

. Data on selected 

geothermal boreholes in the basin are in Table 2.

Gases are represented mainly by CO

2

. Sulphates in geother-

mal waters (Remšík & Fendek 2005) came largely from Lower 

Triassic formations with evaporates (δ

34

S = 23.3 to 27.1 ‰); 

the isotopic composition of oxygen in the geothermal waters 

shows that they are of meteoric origin.

Methods

Geophysical methods

The CSAMT measurement is a geophysical technique 

 classified as an electromagnetic frequency domain method 

belonging to the group of magnetotelluric methods (Zonge & 

Hughes  1991;  Routh  &  Oldenburg  1999;  Simpson  &  Bahr 

2005). A manmade controlled primary electromagnetic field is 

transmitted into the ground using wide range of frequencies. 

The primary field generates eddy currents in the rocks as  

the electromagnetic waves propagate through the Earth. 

 

The secon dary electromagnetic field produced by the eddy 

currents is registered by the receiver and the signal is used to 

calculate the electric resistivity of the rocks below the surface. 

The depth penetration of the method is determined by the 

 frequency of the electromagnetic signal, each of the used 

 frequencies provides information on rock resistivity from 

a different depth. A wide range of frequencies enables us to 

receive a semi-continuous resistivity structured profile from 

the surface up to the maximum depth of penetration (Simpson 

& Bahr 2005).  

The method can be utilized for various geological (Zhiguo 

& Qingyun 2007; Grandis & Menvielle 2015) and hydrogeo-

logical applications including geothermal exploration. Depth 

penetration, high production and relatively low costs compa-

ring with seismic, predetermine CSAMT as a fast and effec-

tive  method  utilized  in  geothermal  exploration  and  recently  

it became one of the principal geophysical techniques. 

Application of the magnetotelluric methods at the sites of the 

Bešeňová  and  Lúčky  hydrogeothermal  structures  faced  two 

challenges. One of them was the required depth penetration of 

2 km determined by the assumed depth of the pre-Cainozoic 

basement. The required depth of penetration is on the edge of 

the applicability of the CSAMT method and may require use 

of the lowest possible frequencies in the AMT (audio magne-

totelluric) range which are utilized in far-field zone modifica-

tion. Therefore, the logical solution would be to use the classic 

magnetotelluric (MT) method utilizing  Earth’s natural elec-

tromagnetic fields at frequencies far below 1 Hz. This approach 

would assure the overreaching of the required depth of pene-

tration of 2 km. However, the existence of external cultural 

noise was a factor playing a role against usage of the classic 

MT technique. Considering the facts above, a straight magne-

totelluric (MT) testing survey was conducted at a couple of 

Table 2: Data on selected geothermal boreholes in the Liptovská Kotlina Depression. 

Borehole

Locality

Aquifers

Perforated 

interval [m]

Discharge 

[l.s

-1

]

Water 

temperature 

[ºC]

Thermal 

power

 [MW

t

]

T.D.S. [g.l

-1

] Chemical type of water

FGL-1

Pavčina Lehota

Triassic limestones 

and dolomites

1

1315–1570

6.0

*

32.0

0.42

0.40

Ca-Mg-HCO

3

ZGL-1

Bešeňová

Triassic dolomites

2

1420–1964

27.0

**

62.0

5.30

5.30

Ca-Mg-SO

4

-HCO

3

FGTB-1

Bešeňová

Triassic limestones 

and dolomites

2

1622–1813

32.0

**

66.9

6.83

3.02

Ca-Mg-SO

4

-HCO

3

ZGL-2/A

Liptovský Trnovec

Triassic dolomites 

and limestones

1

1624–2486

31.0

**

60.7

5.89

5.90

Ca-Na-Mg-HCO

3

-SO

4

ZGL-3

Liptovská Kokava

Triassic limestones 

and dolomites

2

1475–2365

20.0

*

43.5

2.42

2.40

Ca-Mg-HCO

3

-SO

4

HGL-2 

Kaľameny

Tectonic disruption 

in Carpathian 

Keuper´s shale

2

185–500

23.5

**

33.4

1.77

2.90

Ca-Mg-SO

4

-HCO

3

HGL-3 Lúčky

Triassic dolomites

2

322–476

25.0

*

35.8

2.18

3.10

Ca-Mg-SO

4

-HCO

3

BJ-101 Lúčky

Triassic dolomites

2

54–92

20.0

*

32.0

1.42

2.80

Ca-Mg-SO

4

-HCO

3

LSH-1 

Liptovská Štiavnička

Triassic dolomites

1

89–165

10.0

*

21.0

0.25

3.56

Ca-Mg-HCO

3

-SO

4

1

 Hronicum, 

2

 Fatricum, 

pumping, 

**

 free outflow

background image

322

FENDEK, GRAND, DANIEL, BLANÁROVÁ, KULTAN and BIELIK

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

stations prior to employment of CSAMT. The objective was to 

check if a classic MT survey could not be utilized instead of 

CSAMT. One station was surveyed near the borehole HGL-2 

with a known geological profile. The acquired data could not 

be utilized due to high noise level. The measurements from 

other stations away from the Liptovská Kotlina Depression in 

Suchá  dolina  at  the  Chočské  vrchy  Mts.  have  shown  lower 

noise and the data was interpretable. The results have finally 

confirmed the general assumption that the classic MT survey 

could not be used in the parts of the Liptovská Kotlina 

Depression with a well developed infrastructure at all. This 

was also the case for the area of interest. The only solution was 

to employ the CSAMT method in conjunction with several 

chosen factors linked to equipment setting and survey tech-

niques, which would allow us to achieve the required penetra-

tion depth and to eliminate the external noise factors at the 

same time. A solution was found thanks to the unique 

METRONIX MT technology (http://www.geo-metronix.de/

mtxgeo/) allowing tensor measurements in a state of scalar 

measurements and other factors as careful selection and  testing 

of the transmitter site and its distance to survey stations, para-

metric test surveys on boreholes and finally use of the maxi-

mum possible power on transmitters and use of lowest possible 

AMT frequencies. 

Prior to the actual survey, a set of test measurements was 

conducted at the location of existing boreholes. Parametric test 

measurements were undertaken near the location of boreholes 

HGL-2 and ZGL-1 (Fig. 2). Test measurements at borehole 

ZGL-1 were assisting in adjustment of the survey parameters 

and equipment settings including the applicable range of 

frequencies. 

The test survey confirmed the capability of the actual set-

tings to achieve the required depth of 2 km. Inversion of the 

parametric test survey also provided important information 

about apparent resistivity of individual geological settings and 

structures. Based on resistivity, it was not only possible to 

clearly separate the low-resistive Palaeogene sediments from 

the pre-Cainozoic basement, but also to assign apparent resis-

tivity to individual lithological-tectonic units within the base-

ment. This  information  could  be  later  utilized  in  inversions 

and modelling of actual survey data. 

CSAMT measurements were conducted along survey line 

connecting both boreholes HGL-2 and ZGL-1 (Fig. 2). It is 

placed within the elevated part of the pre-Cainozoic basement 

called as the Bešeňová elevation.

The total length of the survey line was 4 km and comprised 

a total of 21 stations with 200 m separation. Grounded tripole 

electrode system with arm length of 600 m enabling rotation 

of electric current vector controlled by METRONIX TXM-22/

TXB-07 transmitter was used as source of stable, manmade 

electromagnetic signal in the AMT range (0.5 Hz – 8192 Hz). 

Currents reaching a maximum possible level of 30 – 40 Amp 

were used to reduce the effect of external background noise. 

Far-field  zone  modification  was  applied  for  a  transmitter 

 distance of 10.5 km from the survey line. The METRONIX 

receiver ADU-7 was employed to register the EM field at the 

survey stations. Two horizontal vectors of electric component 

of EM field were measured using two pairs of grounded elec-

trodes perpendicularly oriented in N–S and E–W directions. 

All three vectors of magnetic component of EM field were 

registered by three magnetometer probes buried in soil.  

The registration time of 120 seconds was chosen to register the 

entire AMT frequency range (0.5 Hz – 8192 Hz) with a suffi-

cient number of stacking. Transmitter and receivers were full 

synchronized using GPS time provided by GPS receivers used 

for positioning at the same time.  

Registered vector components of electric and magnetic field 

were transformed to resistivity time/depth sounding profiles 

followed by 1D and finally 2D inversion. The inversion and 

modelling was controlled using existing data from parametric 

test measurements at borehole sites. Inversion and modelling 

results were presented in the form of a 2D resistivity section 

and resistivity block model. The inversion results were assis-

ting to determine the thickness of Palaeogene clay-sandstone 

sediments,  depth  to  pre-Cainozoic  basement  and  also  litho-

logy-structural units within the pre-Cainozoic basement. 

The final integrated geological geophysical interpretation 

was made considering all available geological data from 

 surface mapping and boreholes, CSAMT survey (Fig. 2) and 

archive geophysical data including DC current electric soun-

ding (VES, Fig. 2), regional airborne magnetic survey and 

regional ground gravity survey. The outcome of the integrated 

interpretation was a geological cross section showing both, the 

principal lithology-structural units and tectonic pattern. 

Geothermometry

The method was used for estimation of the depth at which 

the reservoir waters are formed. Geothermometers, empirical 

equilibrium functions between water and solutes implying 

provenance zone temperature take advantage in slowness of 

initial conditions re-equilibration at cooler temperatures. 

Silica geothermometers and conventional cation geothermo-

meters were used in the study to compare reservoir conditions 

at Bešeňová and Lúčky. Fričovský et al. (2015) showed that 

the conventional cation geothermometers overestimated the 

temperatures  of  geothermal  waters  in  the  Bešeňová  area  by  

2– 4  times.  The  use  of  cation  geothermometers  showed  the 

immaturity of the system, reflected in rapid variations of 

Na/K, K/Mg, and Na/Mg rations through the system. This 

could be well seen on a Na–K–Mg geoindicator (Giggenbach 

1988), which proved most of the cations geothermometer 

invalid. 

Silica geothermometry is based on the solubility of all silica 

polymorphs at particular temperature and pressure conditions. 

The SiO

2

 concentration in thermal fluids is measured. Silica 

geothermometers reflect the temperature-controlled solubility 

of  quartz  and  its  polymorphs  (chalcedony,  cristobalite,  and 

amorphous silica), assuming equilibrium at the rock-water- 

solute contact (Giggenbach 1988). Quartz is the most stable 

and least soluble solid silica form in conditions of 120  

(mature systems) or 180 (mature, immature systems) – 330 °C 

background image

323

BASEMENT OF THE LIPTOVSKÁ KOTLINA DEPRESSION IDENTIFIED BY MAGNETOTELLURICS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

Fig. 2. Location of geophysical surveys along Profile PF01 imposed on the Bouger anomaly gravity map (Grand et al. 2001).

background image

324

FENDEK, GRAND, DANIEL, BLANÁROVÁ, KULTAN and BIELIK

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

(Fournier  &  Rowe  1966),  controlling  SiO

2

 concentration 

within the range. Ambiguity appears at the 120 – 180 °C inter-

val, as chalcedony becomes metastable and more soluble. 

Thereafter, below 120 °C it is possible that chalcedony con-

trols the SiO

2

 content preferentially.

A large set of geothermometers was used for reservoir tem-

perature estimation in both areas. The best agreement between 

values measured at the depth of screen placement and theore-

tical values for the Bešeňová borehole was obtained using the 

Arnórsson  et  al.  (1983)  equation  for  chalcedony  (adiabatic 

boiling model): 

                    1264

T [°C] =                         −  273.15,                                        (1)

              (5.31 −  log C)
where C is silica oxide content.

The best agreement between measured and theoretical tem-

perature values for the Lúčky borehole was obtained using the 

equation for the K–Mg geothermometer (Giggenbach 1988):

                      4410

T [°C] =                            −  273.5,                                        (2)
              14.0 +  log 

(

 K

)

                                Mg
where K and Mg are potassium and magnesium contents, 

respectively.

The K–Mg geothermometers of Giggenbach (1988) refer to 

the situation where the dissolved sodium and calcium cations 

are not in equilibrium state between the water and rock envi-

ronment. The critical problem of the K–Mg geothermometer is 

that it reacts with the geothermal water much faster than other 

geothermometers do, and it is more sensitive to carbonate 

environments at low enthalpies.

Results

The results (Fig. 3) indicate an upper low-resistivity (50 Ω∙m) 

layer outcropping to the surface. 

Based on the results of Gluch et al. (2009) this layer is inter-

preted as Palaeogene sediments with higher content of clay 

components representing together the strata of the Zuberec 

and Huty formations. The thickness of Palaeogene sediments 

along the survey line is variable in average about 500 m with 

a general tendency towards thinning out to the south in the 

direction of borehole ZGL-1. 

The resistivity model shows an obvious anomaly standing 

out from the general picture described above. It is semi verti-

cal 600 – 800 m wide zone of low-resistivity (50 –100 Ω∙m), 

which is dipping down to a depth of over 1500 m below 

 surface. The zone was registered by CSAMT measurements 

undertaken at 5 stations and starts about 800 m south of bore-

hole HGL-2 measured along the survey line. This anomaly 

zone is interpreted as increased thickness of Palaeogene sedi-

ments  (1500 – 2000  m).  Such  an  interpretation  is  also  sup-

ported by gravity low anomaly (Fig. 2) placed at the same 

location which is indicating obvious depression in pre- 

Cainozoic basement.

The Palaeogene low resistivity layer is under-bedded by 

a half space of higher resistivity interpreted as pre-Cainozoic 

basement  of  variable  resistivity  layers  and  segments  (300 – 

3000  Ω∙m)  reflecting  various  Mesozoic  rocks  and  strata. 

Palaeogene sediments are under-bedded by marls and marly 

limestones of the Lower Jurassic and Cretaceous. They also 

contain a high proportion of clayey compound, which may 

reflect interpreted low resistivity in the Pre-Cainozoic base-

ment within the low resistivity anomaly zone. 

The low resistivity anomaly isolates the Triassic carbonates 

of the Fatricum occurring at Kaľameny–Lúčky area from the 

carbonates  occurring  in  Bešeňová  pre-Cainozoic  basement 

elevation hit by the borehole ZGL-1 and confirmed by 

CSAMT and gravity survey (Fig. 2). Mesozoic rocks, mostly 

dolomites appear underneath the Palaeogene sediments in the 

western part of the Liptovská Kotlina Depression as indicated 

by boreholes ZGL-1 and FGTB-1 and geophysical interpreta-

tions as well. These carbonates tectonically belong to the 

Hronicum. Dolomites have higher apparent resistivity than the 

marls, marly limestones, or shales and anhydrites of the 

Fatricum. Considering the results of CSAMT inversion, we 

may assume that compact dolomites and limestones are 

charac terized by higher apparent resistivity from 400 Ω∙m up 

to  couple  thousands  Ω∙m,  while  the  marls  and  marly  lime-

stones of the Fatricum have lower resistivity (100 – 300 Ω∙m). 

Differentiation of Middle Triassic dolomites from shale and 

dolomites of the Carpathian Keuper appears to be difficult in 

most cases based on resistivity. On the other hand, existing 

resistivity contrast appears to be sufficient to distinguish the 

dolomites from marls and marly limestones. 

The  high-resistivity  layer  (2960  Ω∙m),  occurring  at  the 

larger depths at the beginning of the resistivity section (HGL-2 

borehole), could represent either compact Triassic dolomites, 

of which disintegration degree decreases with the depth, or 

Lower Triassic quartzites of the Lužná sequence, which were 

hit by geothermal boreholes ZGL-3 in Liptovská Kokava and 

FGL-1  in  Pavčina  Lehota  (Fig.  1b).  The  pre-Cainozoic 

 basement has a obviously disturbed (eroded) and tectonically 

fragmented relief, as can be seen from the measured resistivity 

values of Mesozoic rocks (Fig. 3). 

The geological interpretation (Fig. 4) shows that the 

Hronicum is not extended continuously in the Bešeňová eleva-

tion. Hence, the Hronicum system represents the top aquifer of 

the stratified Bešeňová elevation hydrogeothermal system. 

The interpretation of data proves former assumptions and 

expectations (e.g. Remšík & Fendek 2005) on spatial limita-

tion of the Hronicum which have further consequences for the 

hydrogeological and thermal regime of the structure.

The same is also valid for shales of the Carpathian Keuper, 

which are in the central part of the profile isolated by 

Palaeogene sediments from the north and by marls and marly 

limestone of the Lower Jurassic–Lower Cretaceous from the 

south. 

The continuation of the Middle Triassic dolomites from the 

Bešeňová  elevation  towards  the  Kaľameny–Lúčky  is  dis-

rupted by Palaeogene sediments and in the deeper part also by 

background image

325

BASEMENT OF THE LIPTOVSKÁ KOTLINA DEPRESSION IDENTIFIED BY MAGNETOTELLURICS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

Fig. 3. a — 2D resistivity section; b — Resistivity block model along profile PF01.

background image

326

FENDEK, GRAND, DANIEL, BLANÁROVÁ, KULTAN and BIELIK

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

marls and marly limestones of the Jurassic–Cretaceous age, 

which, in the regional view, are considered as hydrogeological 

isolators. From the regional point of view it is worth mentio-

ning that the thickness of Palaeogene sediments increases 

 significantly in the Ivachnová depression and the Liptovská 

Mara depression which are extending to the west and the east 

from the Bešeňová elevation. 

Discussion

The extent of the marls and marly limestone in the pre- 

Cainozoic basement is also confirmed by the stripped gravity 

map of the Liptovská Kotlina Depression published by 

Szalaiová  et  al.  (2008).  This  map  represents  the  corrected 

Bouguer anomaly gravity map by the 3D gravitational effect 

of the Palaeogene infill. Therefore it reflects the anomalies 

that resources are located within the pre-Cainozoic basement. 

As  the  studied  area  is  characterized  by  the  relative  gravita-

tional low it can be suggested that its source could be with the 

most likely the Jurassic-Cretaceous marls and marly lime-

stones, as they have not only lower resistivity but also lower 

density  in  comparison  with  the  Triassic  dolomites  (Eliáš  & 

Uhmann 1968).  

Geothermometry  applied  to  mineral  waters  at  Lúčky 

(HGL-2 borehole) and geothermal waters at Bešeňová (ZGL-1 

borehole) showed the following results. The chalcedony 

 (adiabatic boiling model) geothermometer after Arnórsson et 

al. (1983) gave the value of 65.2 °C for Bešeňová what satis-

fies the circulation depth of 1580 m (see Table 1). The same 

geothermometer  used  for  Lúčky  gave  the  result  of  42.3  °C 

which satisfies the circulation depth of 900 m (Table 1).  

The  same  temperature  of  42.3  °C  was  estimated  for  Lúčky 

also by K–Mg geothermometer (Giggenbach, 1988). However, 

the use of K–Mg geothermometers did not give acceptable 

results  for  Bešeňová,  where  the  temperature  estimated  by   

K–Mg geothermometer was only 35.3 °C. The free outflow 

temperature at the well head in Bešeňová is 62 °C therefore 

the 35.3 °C is a highly underestimated result. It means that the 

mineral water in Lúčky is formed at a much shallower depth 

than the geothermal water in Bešeňová. 

The former radiocarbon analysis allows us to estimate  

the age of groundwater appearing in the Liptovská Kotlina 

Depression. The estimated age of geothermal water of the 

Bešeňová  area  (ZGL-1  borehole)  is  27,000  years  (Franko 

2002) corresponding to the infiltration time during the Paudorf 

interstadial (Wurm 2–3 glaciations), whereas the estimated 

age of mineral waters in Lúčky and Kaľameny is 23,000 and 

Fig. 4. Integrated geological-geophysical interpretation — geological section of the profile PF01.

background image

327

BASEMENT OF THE LIPTOVSKÁ KOTLINA DEPRESSION IDENTIFIED BY MAGNETOTELLURICS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

18,300 years respectively, corresponding to the colder time 

period in the Wurm 3 glaciation. Franko (2002) provided 

a  suggestion  on  preferential  infiltration  zone  for  Bešeňová 

hydrogeothermal structure to the south and basically coun-

tered an idea of connectivity of the Bešeňová elevation and 

Lúčky mineral water structure. 

The  isotopic  composition  of  oxygen  δ

18

O in geothermal 

water from boreholes ZGL-1 Bešeňová, ZGL-2A Liptovský 

Trnovec and in mineral water in LSH-1 borehole in Liptovská 

Štiavnička is also different from the isotope composition of 

oxygen  in  BJ-101  and  HGL-3  sources  in  Lúčky,  HGL-2  in 

Kaľameny  and  in  the  main  inflow  to  the  borehole  ZGL-3 

Liptovská Kokava. 

Another argument confirming the existence of two sepa-

rated structures is that there was no observed influence on 

discharges in the Lúčky area caused by long-term hydrody-

namic testing on the borehole FGTB-1 in 2012. 

Conclusions

The CSAMT method was successfully applied in the  western 

part of the Liptovská Kotlina Depression. Utilization of the 

method enabled us to delineate the relief of the pre-Cainozoic 

basement and to segment it into lithostratigraphic units.  

The geological interpretation of the results showed that the 

Hronicum does not extend continuously in the Bešeňová ele-

vation. The same also applies the to shales of the Carpathian 

Keuper, which are isolated in the central part of the profile by 

Palaeogene sediments from the north and by marls and marly 

limestone of the Lower Jurassic–Lower Cretaceous from the 

south. The interpretation of geophysical data available for the 

western part of the Liptovská Kotlina Depression, together 

with the interpretation of the CSAMT method have confirmed, 

that  there  is  no  interconnection  between  the  Lúčky  mineral 

water structure and the Bešeňová geothermal water structure. 

The two structures are separated by a huge thickness of 

Palaeogene sediments in the shallow part and also by marls 

and marly limestones of the Fatricum in the deeper part, which 

are considered to be hydrogeological isolators on regional 

scale. In our opinion it was proven that the continual intercon-

nection of geothermal aquifers in the area between the 

Bešeňová  and  Lúčky–Kaľameny  does  not  exist.  This  study 

has proven that there exist neither structural nor hydraulic 

conectivity between the two structures as well. This was also 

confirmed by the results of geothermometry application and 

by comparison of the radiocarbon ages of groundwater in 

water bearing structures. Disproving a structural and hydraulic 

connectivity  between  the  Lúčky  and  Bešeňová  structures  is 

a major addition to our knowledge of the Liptov Basin geo-

thermal field and definitely supports assumptions and 

 suggestions given since detailed studies of these two systems 

began. 

Finally, the study as presented in this paper is the first 

 application of the CSAMT method to geothermal exploration 

in the territory of the Slovak Republic.

Acknowledgements: This research has been supported by  

the Slovak Grant Agency VEGA, grants No 1/0313/15 and 

No. 1/0141/15, and the Slovak Research and Development 

Agency, grant No. APVV-16-0146.

References 

Act  No.  538/2005  Z.z.  on  natural  curative  waters,  natural  curative 

spas, spa places and natural mineral water. Ministry of Health of 

Slovak Republic, Bratislava.

Arnórsson S., Gunnlaugsson E. & Svavarsson H. 1983: The chemis-

try of geothermal waters in Iceland III. Chemical geothermo-

metry in geothermal investigations. Geochim. Cosmochim. Acta 

47, 567–577.

Bezák V., Broska I., Ivanička J., Reichwalder P., Vozár J., Polák M., 

Havrila M., Mello J., Biely A., Plašienka D., Potfaj M.,  

Konečný V., Lexa J., Kaličiak M., Žec B., Vass D., Elečko M., 

Janočko  J.,  Pereszlényi  M.,  Marko  F.,  Maglay  J.  &  Pristaš  J. 

2004: Tectonic map of Slovak Republic 1:500,000. Ministry of 

the Environment of Slovak Republic, Bratislava.

Eliáš M. & Uhmann J. 1968: Densities of the rocks in Czechoslova-

kia.  Czech  Geological  Survey,  Open  file  report  –  Geofond

Prague, 1–84.

Fendek M. 1998: Capture of thermal waters in Bešeňová. In: Procee-

dings of the conference: Balneotechnical days´98, Podbanské, 

Slovakia, 92–102 (in Slovak).

Fendek M. & Remšík A. 2005: Evaluation of geothermal water and 

geothermal energy amounts of the Liptovská kotlina Basin. 

 Mineralia Slovaca 37, 2, 131–136 (in Slovak).

Fendek  M.  &  Fendekova  M.  2015:  Country  update  of  the  Slovak 

 Republic. In: Proceedings of the World Geothermal Congress, 

 Melbourne,  Australia.  International Geothermal Association

Bochum, Germany, 1–8.

Fendek M., Rebro A. & Fendeková M. 1999: A Spell Cast: Historical 

aspects of thermal spring use in the Western Carpathian Region. 

In: Cataldi R., Hodgson S.F. & Lund J.W. (Eds.): Stories from 

a Heated Earth — Our Geothermal Heritage. Geothermal Re-

sources Council and International Geothermal Association, Sac-

ramento, California, USA, 250–265.

Fournier R.O. & Rowe J.J. 1966: Estimation of underground tempera-

tures from the silica contents of water from hot springs and wet 

steam wells. Am. J. Sci. 264, 685–697.

Franko O. 2002: Topical views of the hydrogeological structure of 

mineral waters in spa Lúčky. Podzemná voda 8, 2, 123–132 (in 

Slovak) .

Fričovský B. 2011: Description and theoretical utilization suitability 

study of western and central hydrogeothermal structures asso-

ciated with the Liptovská Kotlina Basin, Slovak Republic. In: 

Proceedings — The History and current state of exploitation of 

mineral deposits in Eastern Slovakia, Solivar, Slovakia, 36–44 

(in Slovak).

Fričovský  B.,  Tometz  L.,  Vízi  L.  &  Štiaková  J.  2014:  Update  on 

 

stationary temperature model on carbonates dominated, 

 stratified, low enthalpy hydrogeothermal system of the Bešeňová 

elevation, northern Slovakia. In: Proceedings, 14

th

 Multidiscipli-

nary Scientific Geoconference & Expo, Albena, Bulgaria, 17–26 

June 2014, Book I, Vol. 2, 1003–1008.

Fričovský B., Tometz L., Fendek M. & Gumanová J. 2015: Update  

on composite geochemical conceptual model for the Bešeňová 

elevation geothermal structure, Liptovská Kotlina Basin, 

 

Northern Slovakia. In: Proceedings World Geothermal 

 

Congress 2015, Melbourne, Australia, 19–25 April 2015, 

 

1–12.

background image

328

FENDEK, GRAND, DANIEL, BLANÁROVÁ, KULTAN and BIELIK

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2017, 68, 4, 318 – 328

Fričovský  B.,  Tometz  L.  &  Fendek  M.  2016:  Geothermometry 

 techniques in reservoir temperature estimation and conceptual 

site models construction: Principles, methods and application for  

the  Bešeňová  elevation  hydrogeothermal  structure,  Slovakia. 

Mineralia Slovaca 48, 1, 1–60. 

Giggenbach W.F. 1988: Geothermal solute equilibria. Geochim. 

 Cosmochim.  Acta 52, 2749–2765.

Gluch A. et al. 2009: Gravimetry map of Slovakia [online]. 

 

State  

Geological Institute of Dionýz Štúr, Bratislava. 

 

Available at: http://mapserver.geology.sk/gravimetria. [cit. 

31.8.2016].

Grand T., Šefara J., Pašteka R., Bielik M. & Daniel S. 2001: Atlas of 

geophysical maps and profiles — text part D1, gravimetry. 

 Report.  Geological Institute of Dionýz Štúr Bratislava,  1–67  

(in Slovak with English summary).

Grandis  H.  &  Menvielle  M.  2015:  Thin-sheet  electromagnetic 

 modeling of magnetovariational data for a regional scale study. 

Earth, Planets and Space  67,  121,  doi:  10.1186/s40623-015-

0290-3.

Gross P., Köhler E., Biely A., Franko O., Hanzel V., Hricko J., Kupčo 

G.,  Papšová  J.,  Priechodská  Z.,  Szalaiová  V.,  Snopková  P., 

Stránska  M.,  Vaškovský  I.  &  Zbořil  Ľ.  1980:  Geology  of  the 

Liptov  Basin.  Geological  Institute  of  Dionýz  Štúr,  Open file 

 report – Geofond, Bratislava, 1–242 (in Slovak).

Král  M.  &  Remšík,  A.  1996:  Geotermic  charakteristics  of  the 

 Liptovská Kotlina Basin. Zemný plyn a nafta 41, 1–2, 97–103 (in 

Slovak).

Kullman E. & Zakovič M. 1975: Hydrogeology of the Choč Moun-

tains. Západné Karpaty – Sér. hydrogeológia a inž. geológia 1, 

65–113 (in Slovak).

Maďar  D.,  Grand  T.,  Džuppa  P.,  Šefara  J.,  Remšík A.,  Komoň  J., 

Pašteka R., Bielik M. & Weis K. 2005: Application of light geo-

physical methods during exploration of the sources of geother-

mal waters. Mineralia Slovaca 37, 2, 103–106 (in Slovak).

Remšík A. & Fendek M. 2005: Thermal-Energy Potential of the Liptov 

Depression. In: Proceedings of the World Geothermal Congress. 

International Geothermal Association, Antalya, Turkey, 1–5. 

Remšík A., Fendek M., Mello J., Král M., Bodiš D. & Michalko J. 

1998: Liptov Basin — regional hydrogeothermal evaluation. 

Open file report – Geofond, Bratislava (in Slovak).

Remšík A., Fendek M. & Maďar D. 2005: Occurrence and distribu-

tion of the geothermal waters in the Liptov Basin. Mineralia 

Slovaca 37, 2, 123–130 (in Slovak).

Routh P.S. & Oldenburg D.W. 1999: Inversion of controlled source 

audio-frequency magnetotellurics data for a horizontally layered 

Earth. Geophysics 64, 6, 1689–1697.

Simpson F. & Bahr K. 2005: Practical magnetotellurics. Cambridge 

University Press, Cambridge, 1–254.

Szalaiová  E.,  Bielik  M.,  Makarenko  I.,  Legostaeva  O.,  Hók  J., 

 Starostenko  V.,  Šujan  M.  &  Šefara  J.  2008:  Calculation  of 

a stripped gravity map with a high degree of accuracy: a case 

study of Liptovská Kotlina Basin (Northern Slovakia). Geol. 

Quarterly 52, 2, 103–114.

Zhiguo A. & Qingyun D. 2007: Application of CSAMT Method for 

Exploring Coal Mine in Fujian Province, Southeastern China. 

Piers online, 3, 4, 430–443.

Zonge K.L. & Hughes L.J. 1991: Controlled source audio-frequency 

magnetotellurics. In: Nabighian M.N. (Ed.): Electromagnetic 

Methods in Applied Geophysics, 2. Society of Exploration 

 Geophysicists, Tulsa, 713–809.