Badania wykonane w latach 1996–1998 obejmowały studium materiałów publikowanych i archiwalnych, wyznaczenie miejsc pobierania próbek gleb na mapach topograficznych w skali 1:10 000, wyznaczanie profili opróbowania gleb w terenie, pobranie próbek, pomiary współrzędnych w miejscach ich lokalizacji, analizy chemiczne próbek, utworzenie baz danych terenowych i laboratoryjnych, opracowanie wektorowego podkładu topograficznego, obliczenia statystyczne, opracowanie map geochemicznych i mapy geologicznej oraz interpretację wyników. Kolejność prac ilustruje załączony schemat (fig. 1).
PRACE TERENOWE
Pobieranie próbek gleb przeprowadzono w roku 1996, a próbki osadów wodnych i wód powierzchniowych zebrano w roku 1997.
Próbki gleb pobierano w regularnej siatce 250×250 m (16 punktów/km²). Łącznie pobrano próbki gleb z 1393 miejsc (tabl. 2). W każdym miejscu pobierano gleby z głębokości: 0,0–0,2 i 0,8–1,0 m (lub z mniejszej głębokości w przypadku płytszego zalegania skał macierzystych). Próbki gleb (o masie ok. 500 g), pobierane za pomocą ręcznej sondy o średnicy 50 mm, umieszczano w woreczkach płóciennych opatrzonych odpowiednimi numerami i wstępnie suszono na drewnianych paletach w magazynie terenowym.
Próbki osadów i wód powierzchniowych pobierano z rzek, strumieni, rowów melioracyjnych, kanałów, osadników, sadzawek i stawów. Odległość między miejscami pobierania próbek na ciekach wynosiła ok. 250 m. Próbki osadów o masie ok. 500 g (i możliwie najdrobniejszej frakcji) pobierano z brzegów zbiorników za pomocą czerpaka i umieszczano w woreczkach płóciennych opisanych odpowiednimi numerami. Woreczki umieszczano w specjalnym pojemniku (na sicie plastikowym) umożliwiającym odciekanie wody i zabezpieczającym woreczki przed stykaniem się.
Próbki wód powierzchniowych pobierano z tych samych miejsc, z których pobrano próbki osadów wodnych. Technika ich poboru była zgodna z metodyką opróbowania źródeł opisaną przez Witczaka i Adamczyka (1994). Próbki wód były filtrowane w terenie przez filtry Millipore 0,45 µm, a po napełnieniu butelek o objętości 30 ml, zakwaszane kwasem azotowym. Butelki opisywano odpowiednimi numerami.
Miejsca pobrania wszystkich próbek zaznaczano na mapach topograficznych w skali 1:10 000 i opisywano odpowiednimi numerami.
Do tyczenia profili i określania położenia punktów zastosowano pomiary GPS wykorzystujące technikę geodezji satelitarnej. Jako urządzenia pomiarowego używano odbiornika GPS March I produkcji firmy Cornallis Microtechnology, wyposażonego w komputer umożliwiający, obok pomiarów współrzędnych punktów, rejestrację dodatkowych informacji (danych o zabudowie i użytkowaniu terenu oraz o charakterze litologicznym próbek). Pomiar bezpośredni z tego urządzenia jest rejestrowany z dokładnością ±100 m. Do korekcji danych zastosowano odbiornik Trimble Pathfinder ProXL, pracujący w trybie bazy korekcyjnej na punkcie o znanych współrzędnych. Dzięki temu lokalizacja punktów została wykonana z dokładnością 1–3 m (Doktór i in., 1997).
Do pomiarów odległości między punktami opróbowania stosowano ręczny dalmierz laserowy Advantage firmy Laser Atlanta z wbudowanym kompasem i klinometrem. Urządzenie to pozwala mierzyć odległość od 1,5 do 750 m z dokładnością ±15,3 cm i możliwością redukcji do poziomu. Do wyznaczania kierunku profili stosowano busolę geologiczną Meridian i łaty geodezyjne. Codziennie opracowywano komputerowo dane, co umożliwiało ciągłą kontrolę tyczonych linii profilowych.
Dla większego bezpieczeństwa wszystkie dane terenowe notowane były również na kartach opróbowania (fig. 2).
PRACE LABORATORYJNE
Przygotowanie próbek. Po przewiezieniu do laboratorium próbki gleb były suszone w temperaturze pokojowej i przesiewane przez sita nylonowe o oczkach 2 mm. Każdą próbkę gleby z głębokości 0,0–0,2 m po przesianiu i kwartowaniu dzielono na trzy podpróbki: jedną przeznaczoną do analizy chemicznej, drugą do analizy granulometrycznej i trzecią archiwalną. Każdą próbkę gleby z głębokości 0,8–1,0 m po przesianiu i kwartowaniu dzielono na dwie podpróbki: jedną przeznaczoną do analizy chemicznej, drugą archiwalną (fig. 1). Próbki gleb przeznaczone do analiz chemicznych ucierano do frakcji <0,06 mm w agatowych młynach kulowych.
Próbki osadów wodnych były suszone w temperaturze pokojowej, a następnie przesiewane przez sita nylonowe o oczkach 0,2 mm. Frakcję <0,2 mm po kwartowaniu dzielono na dwie podróbki: jedną przeznaczoną do analizy chemicznej, drugą archiwalną (fig. 1).
Wszystkie próbki archiwalne zmagazynowano w Państwowym Instytucie Geologicznym-Państwowym Instytucie Badawczym w Warszawie.
Analizy chemiczne wykonano w Centralnym Laboratorium Chemicznym Państwowego Instytutu Geologicznego-Państwowego Instytutu Badawczego w Warszawie.
Do oznaczeń metali, fosforu i siarki roztwarzano 1 g próbki stałej w wodzie królewskiej przez 1 godz. w temp. 95°C w termostatowanym bloku aluminiowym. Następnie sączono roztwór przez twardy sączek ilościowy do kolby miarowej o pojemności 50 ml i uzupełniano do kreski. Z roztworu odlewano około 15 ml do butelki polietylenowej na oznaczenie rtęci. Pozostałość przelewano do drugiej butelki polietylenowej na oznaczanie zawartości metali oraz siarki i fosforu. W analogiczny sposób przygotowywano próbki kontrolne.
Oznaczenia Ag, Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, P, Pb, S, Sr, Ti, V i Zn w próbkach stałych wykonano metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem plazmowym (ICP-AES) za pomocą sekwencyjno-równoczesnych spektrometrów: PV 8060 firmy Philips i BJY 70 Geoplasma firmy Jobin-Yvon. Oznaczenia Hg przeprowadzono metodą spektrometrii absorpcji atomowej z techniką zimnych par (CV-AAS). Odczyn gleb oznaczono w wyciągach wodnych (Norma..., 1975), a zawartość węgla organicznego w glebach powierzchniowych metodą kulometryczną.
Analizy próbek wód powierzchniowych przeprowadzono metodą ICP-AES, oznaczając: Al, As, B, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, SiO₂, SO₄, Sr, Ti, V i Zn. Ołów analizowano metodą atomowej spektrometrii absorpcyjnej ze wzbudzeniem elektrotermicznym (GF-AAS).
Zestawienie metod analitycznych i granic oznaczalności pierwiastków przedstawiono w tabeli 1.
W ramach kontroli jakości stosowano analizę próbek podwójnych (10% ogólnej liczby próbek) oraz analizowano próbki referencyjne z atestowaną zawartością badanych pierwiastków – dla gleb: LOAM 7004, SRM 2709 (NIST), SRM 2711(NIST), dla osadów wodnych: SRM 2704 (NIST) i PACS.
Analizy granulometryczne gleb z głębokości 0,0–0,2 mprzeprowadzono metodą sitowo-laserową w Państwowym Instytucie Geologicznym-Państwowym Instytucie Badawczym w Warszawie. Powietrznie suche próbki przesiewano przez zestaw sit o oczkach 2 i 1 mm. W przypadku gdy materiał glebowy był pozlepiany, próbkę przed kwartowaniem i przesiewaniem rozdrabniano w moździerzu porcelanowym. Ważono uzyskane frakcje: >2 mm, 2–1 mm i <1 mm. Frakcję <1 mm kwartowano w celu uzyskania próbek analitycznych o masie około 100 g, przeznaczonych do analizy laserowej. Udziały poszczególnych frakcji przeliczano na udziały procentowe w stosunku do całości próbek.
BAZY DANYCH I KONSTRUKCJA MAP GEOCHEMICZNYCH
Podkład topograficzny. Do opracowania podkładu dla map geochemicznych w skali 1:25 000 użyto najbardziej aktualnej mapy topograficznej w skali 1:50 000 w układzie współrzędnych 1992, arkusz Jaworzno M-34-63-B (zapis wektorowy VMap L2). Mapa topograficzna zawiera następujące wektorowe warstwy informacyjne:
– rzeźba terenu,
– hydrografia (z podziałem na rzeki, strumienie, rowy i zbiorniki wód stojących),
– sieć komunikacji drogowej (z podziałem według klas),
– sieć kolejowa,
– zabudowa terenu (z podziałem na zabudowę wiejską, miejską oraz przemysłową),
– lasy,
– tereny przemysłowe (obiekty przemysłowe, szyby górnicze, wyrobiska kopalniane, hałdy i osadniki).
Mapa geologiczna. W celu ilustracji budowy geologicznej badanego obszaru wykorzystano Szczegółową mapę geologiczną Polski 1:50 000, arkusz Jaworzno (Kurek i in., 1999). Korzystając z plików w systemie ArcInfo, drogą obróbki komputerowej utworzono obrazy wektorowe poszczególnych elementów mapy geologicznej zakrytej, które następnie połączono z podkładem topograficznym, tworząc mapę geologiczną w skali 1:25 000 (tabl. 1).
Bazy danych. Utworzono oddzielne bazy danych dla:
– gleb z głębokości 0,0–0,2 m,
– gleb z głębokości 0,8–1,0 m,
– osadów wodnych,
– wód powierzchniowych.
Bazy danych gleb zawierają: numery próbek, wyniki pomiarów współrzędnych w miejscach pobierania próbek, zapis obserwacji terenowych (rodzaj zabudowy, użytkowanie terenu, gatunek gleby, lokalizacja miejsca pobierania próbek – powiat, gmina, miejscowość), datę i nazwisko osoby pobierającej próbki oraz wyniki analiz chemicznych.
Bazy danych osadów wodnych i wód powierzchniowych zawierają: numery próbek, wyniki pomiarów współrzędnych w miejscach pobierania próbek, zapis obserwacji terenowych (rodzaj zabudowy, użytkowanie terenu, rodzaj zbiornika wodnego, gatunek osadu, lokalizacja miejsca pobierania próbek – powiat, gmina, miejscowość), datę i nazwisko osoby pobierającej próbki) oraz wyniki analiz chemicznych.
Obliczenia statystyczne. Wyniki zgromadzone w bazach danych służyły do wydzielania podzbiorów do obliczeń statystycznych według różnych kryteriów, na przykład zawartości pierwiastków w glebach terenów przemysłowych, glebach leśnych, glebach miejskich oraz w osadach wodnych i w wodach poszczególnych zbiorników, jak również do tworzenia map geochemicznych. Obliczenia parametrów statystycznych wykonano zarówno dla całych zbiorów, jak i podzbiorów dla gleb, osadów wodnych i wód powierzchniowych. Do obliczeń statystycznych przyjmowano zawartość równą połowie limitu detekcji danej metody analitycznej w przypadku zawartości pierwiastków poniżej granicy oznaczalności tej metody. Wyliczano średnią arytmetyczną, średnią geometryczną, medianę oraz wartość minimalną i maksymalną. Dane te dla poszczególnych pierwiastków i wskaźników zestawiono w tabelach 2–5 oraz zamieszczono na mapach geochemicznych. Obliczone wskaźniki służyły do wyznaczania klas zawartości przy tworzeniu map geochemicznych.
Opracowanie map. Dla arkusza Sławków opracowano następujące mapy (tabl. 2–57):
– zabudowa terenu,
– użytkowanie terenu,
– zawartość całkowitego węgla organicznego oraz frakcji piaszczystej, pylastej i ilastej w glebach z głębokości 0,0–0,2 m,
– pH w glebach z głębokości 0,0–0,2 i 0,8–1,0 m,
– zawartość Ag, Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mg, Mn, Ni, P, Pb, S, Sr, Ti, V i Zn w glebach z głębokości 0,0–0,2 m i 0,8–1,0 m oraz w osadach wodnych,
– zawartość Al, As, B, Ba, Ca, Cd, Co, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, SiO₂, SO₄, Sr i Zn w wodach powierzchniowych,
– klasyfikacja gleb z głębokości 0,0–0,2 m wskazująca właściwy sposób ich użytkowania (z wydzieleniem grup użytkowania gleb na podstawie Rozporządzenia..., 2002).
Zabudowę i użytkowanie terenu oraz klasyfikację gleb z głębokości 0,0–0,2 m, wskazującą właściwy sposób ich użytkowania, przedstawiono w postaci map punktowych (tabl. 2, 3 i 57).
Do przedstawienia rozkładu klas ziarnowych (tabl. 4–6) oraz zawartości pierwiastków w glebach wybrano izoliniową (obszarową) metodę opracowania map ze względu na jej przejrzystość i czytelność. Izoliniowe mapy geochemiczne utworzono z użyciem programu Surfer, stosując metodę Inverse Distance to a Power. Klasy zawartości pierwiastków dobierano stosując postęp geometryczny.
Odczyn gleb (tabl. 7 i 8) przedstawiono według skali przyjętej w gleboznawstwie (z podziałem na gleby kwaśne, obojętne i zasadowe).
Mapy geochemiczne gleb opracowano dla zbioru wyników analiz chemicznych arkusza Sławków i arkuszy sąsiednich w skali 1:25 000, aby uniknąć niezgodności na granicy arkuszy. Z utworzonych map monopierwiastkowych wycinano arkusz Sławków i łączono z podkładem topograficznym.
Mapy geochemiczne osadów wodnych i wód powierzchniowych opracowano oddzielnie dla arkusza Sławków. Utworzono je w formie kartodiagramów kołowych, przypisując ich odpowiednie średnice do poszczególnych klas zawartości, ułożonych najczęściej w postępie geometrycznym.
Sporządzając mapę klasyfikacji gleb powierzchniowych (tabl. 57), wskazującą właściwy sposób ich użytkowania, wyniki badań geochemicznych odniesiono do wartości stężeń dopuszczalnych metali określonych w Rozporządzeniu Ministra Środowiska (2002), zgodnie z zaleceniem "glebę lub ziemię uznaje się za zanieczyszczoną, gdy stężenie co najmniej jednej substancji przekracza wartość dopuszczalną".
Na podstawie zawartości każdego z badanych metali (wymienionych w Rozporządzeniu..., 2002) każda z badanych próbek gleb została zaklasyfikowana do grupy A, B lub C. W przypadku jednakowych granic wartości dopuszczalnych dla grupy A i B (wyznaczonych w Rozporządzeniu..., 2002 dla arsenu, baru i kobaltu) przyjęto zasadę klasyfikacji gleb do grupy A, korzystniejszej dla użytkownika i pozwalającej na wielofunkcyjne wykorzystywanie terenu.
Dla celów publikacji mapy geochemiczne opracowano poprzez połączenie parami na jednej tablicy mapy geochemicznej gleb z głębokości 0,0–0,2 m z mapą geochemiczną osadów wodnych oraz mapy geochemicznej gleb z głębokości 0,8–1,0 m z mapą geochemiczną wód powierzchniowych. Ten sposób prezentacji pozwala na bezpośrednie porównanie obrazów geochemicznych różnych środowisk. Kierując się wygodą użytkowania, mapy (opatrzone skalą liniową) wydrukowano w formacie nieco pomniejszonym (A3). Zabieg ten nie spowodował pominięcia żadnego szczegółu treści map. Dla zainteresowanych mapami w skali 1:25 000 istnieje możliwość udostępnienia całości opracowania lub poszczególnych map drukowanych na ploterze.