Kartografia geochemiczna w Polsce

Skuteczna ochrona środowiska przyrodniczego Ziemi wymaga odpowiednich działań zapobiegawczych i naprawczych. Do realizacji tego zadania potrzebna jest przede wszystkim odpowiednia informacja, między innymi o występowaniu, rozmieszczeniu przestrzennym i koncentracji pierwiastków i związków chemicznych, zwłaszcza toksycznych. Takich informacji dostarczają programy badawcze prowadzone od połowy lat 80. XX w. przez Państwowy Instytut Geologiczny. Systematyczne badania geochemiczne są ukierunkowane na rozpoznanie chemizmu i stopnia zanieczyszczenia skał, gleb, osadów dennych rzek, jezior i strumieni oraz wód powierzchniowych i podziemnych. Analizom chemicznym poddano ponad 170 tys. próbek. Rezultatem wykonanych projektów jest baza danych oraz seria atlasów geochemicznych w różnych skalach, a także liczne artykuły i raporty naukowe.  Wszystkie prace sfinansowano ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej na zlecenie Ministerstwa Środowiska (aktualnie Ministerstwa Klimatu i Środowiska).

 

 

Dla zobrazowania aktualnego stanu środowiska wykorzystywana jest metoda kartografii geochemicznej, która w syntetyczny sposób przedstawia stan środowiska abiotycznego hydrosfery i powierzchni litosfery umożliwiając ustalenie tła geochemicznego oraz rozmiaru i przyczyn jego ewentualnego zanieczyszczenia. 

Odpowiednio do założonego celu, mapy są wykonywane w różnych skalach (przeglądowych, regionalnych lub szczegółowych). Mapy geochemiczne z danego obszaru są zestawiane w atlasy geochemiczne, zawierające oprócz map obszerne komentarze tekstowe przedstawiające metodykę badań i wnioski wyciągane z wyników analiz, co umożliwia rzetelną ocenę stanu zanieczyszczenia kraju, regionów miejsko-przemysłowych i obszarów chronionych.

 

 

Znajomość przestrzennego rozmieszczenia pierwiastków chemicznych w danym środowisku jest niezwykle ważną informacją nie tylko przy poszukiwaniu i rozpoznawaniu złóż  surowców mineralnych, ale również dla celów rolnictwa, leśnictwa, planowania przestrzennego i ochrony środowiska (w tym stanu zdrowia ludzi i zwierząt zamieszkujących dany teren). Stąd też mapy geochemiczne przedstawiające rozkłady przestrzenne pojedynczych pierwiastków, zanieczyszczenia sumaryczne lub stopień skażenia według różnych kategorii (wytycznych, wskazówek i rozporządzeń) znajdują coraz szersze zastosowanie. Są niezbędne przy podejmowaniu decyzji dotyczących szczegółowego rozpoznania, monitoringu i remediacji poszczególnych elementów środowiska przyrodniczego, a także przy analizowaniu związków między czynnikami środowiskowymi i zdrowiem ludzi.

 

W miarę wzrostu świadomości ekologicznej społeczeństwa jednostki administracji państwowej różnego szczebla, agencje ekologiczne, instytuty naukowe i wyższe uczelnie coraz częściej korzystają z informacji zawartych w opracowaniach geochemicznych wykonanych przez Państwowy Instytut Geologiczny.

 

 

Badania w dziedzinie kartografii geochemicznej są kosztowne, więc w pierwszym etapie są wykonywane mapy przeglądowe, które pozwalają na szybką i stosunkowo niedrogą ocenę zanieczyszczeń środowiska na dużych obszarach (np. dla całego kraju) oraz na wydzielenie regionów szczególnie skażonych o charakterze regionalnym lub lokalnym. Często już na tym etapie badań możliwe jest wskazanie ewentualnych źródeł zanieczyszczeń. Ich oddziaływanie na środowisko jest kontrolowane w sposób ciągły poprzez systematyczny monitoring osadów rzecznych i strumieniowych, szczególnie łatwo i szybko pozwalających rejestrować wprowadzanie zanieczyszczeń do środowiska wodnego.

 

 

W drugim etapie badań wykonuje się mapy obrazujące stopień zanieczyszczeń w skalach regionalnych na obszarach wytypowanych wcześniej, a na końcu badania szczegółowe w wybranych rejonach. Taki tok postępowania znakomicie ogranicza zarówno czas wykonywania badań, jak i ich koszt. Najczęściej powierzchnia obszarów zakwalifikowanych do badań szczegółowych stanowi nieznaczny procent obszaru badanego w pierwszym etapie. Wychodząc z powyższych założeń, w 1990 r. rozpoczęto pierwszy w Polsce wieloletni 3-etapowy program prac w dziedzinie kartografii geochemicznej ukierunkowany na problemy ochrony środowiska.

 

Etap I (1990–1995) 

 

W tej fazie badań opracowano Atlas geochemiczny Polski (w skali 1:500 000; wydrukowany w skali 1:2 500 000), obejmujący badania warstwy powierzchniowej gleb, osadów dennych rzek, strumieni i zbiorników wód stojących oraz  wód powierzchniowych na terenie całego kraju.

W opracowaniu poza określeniem tła geochemicznego wskazano rejony anomalii o charakterze regionalnym lub lokalnym. Oprócz anomalii naturalnych związanych ze zróżnicowanym składem litologiczno-chemicznym podłoża geologicznego kraju zanotowano anomalie antropogeniczne w obszarach historycznej eksploatacji kruszców, wieloletniej działalności przemysłowej i komunalnej, jak również w miejscach magazynowania toksycznych substancji chemicznych, nielegalnych składowisk odpadów i zrzutu ścieków.

Naturalne zróżnicowanie zawartości szeregu pierwiastków (Ba, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Ni, V i Y) w glebach i osadach pozwoliło na wyróżnienie na terenie Polski dwu wyraźnych prowincji geochemicznych: południowej, obejmującej Karpaty, Dolny Śląsk, Górny Śląsk i niewielkie rejony Wyżyny Lubelskiej, oraz północnej, obejmującej pozostałą część kraju. Gleby i aluwia prowincji południowej na terenach o starszym (przedczwartorzędowym) podłożu, zawierają większą koncentrację wielu pierwiastków w stosunku do prowincji północnej. Ich mniejsza zawartość w prowincji północnej jest spowodowana pokryciem tego obszaru plejstoceńskimi utworami glacjalnymi, które są głównie piaszczyste i mocno wyługowane.

W wodach powierzchniowych Polski wykryto niepokojąco wysoką zawartość wielu związków i pierwiastków: fosforanów, chlorków, siarczanów, baru, manganu, potasu, sodu i cynku. W ostatnich kilku latach stan chemiczny wód powierzchniowych uległ znacznej poprawie, zarówno wskutek zaniechania produkcji w wielu zakładach przemysłowych, jak i na skutek wdrożenia nowoczesnych technologii i budowy nowych oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych.

Wbrew rozpowszechnionemu mniemaniu Polska nie jest krajem katastrofalnie zanieczyszczonym. Przeglądowe badania geochemiczne wykazały jednak przekroczenia dopuszczalnych zawartości substancji szkodliwych w glebach, wodach i osadach w niektórych rejonach kraju. Generalnie stwierdzono nieznaczny stopień (dotyczący ok. 1% powierzchni kraju) zanieczyszczenia gleb uprawnych metalami. Zwiększone w stosunku do przeciętnych zawartości kadmu, ołowiu, cynku czy miedzi zostały, co prawda, odnotowane w warstwie powierzchniowej gleb w większych polskich miastach, jednak należy podkreślić, że są znacznie mniejsze niż w aglomeracjach wielu innych krajów Europy. Na obszarach o znacznej koncentracji przemysłu, a szczególnie w rejonach wydobycia oraz przeróbki rud metali (na Dolnym i Górnym Śląsku), jak również na obszarach miast dochodzi do koncentracji wielu pierwiastków toksycznych dla organizmów żywych.

Jednym z pierwiastków szkodliwych dla organizmów żywych jest ołów, którego zawartość w glebach Polski przedstawia poniższa mapa.

 

 

 

 

Zawartość ołowiu różnicuje się nieznacznie w glebach z obszaru Niżu Polskiego. W części wschodniej kraju jest niższa od 13 mg/kg, a w części zachodniej mieści się w zakresie 9–25 mg/kg. W glebach Karpat i Sudetów występują  zawartości ołowiu przekraczające 13 mg/kg, a na niektórych obszarach 50 mg/kg. W większości gleb Górnego Śląska zawartość ołowiu jest wyższa od 50 mg/kg, co wiąże się z występowaniem formacji dolomitów kruszconośnych triasu na powierzchni lub pod niewielkim nadkładem oraz z antropogenicznym wzbogaceniem w ołów warstwy powierzchniowej gleb poprzez wydobyty urobek i produkty wzbogacania rud cynkowo-ołowiowych.

 

Etap II (1991–2005) 

 

W ramach prac tego etapu wykonano atlasy geochemiczne w skalach regionalnych (od 1:50 000 do 1:200 000) w najważniejszych obszarach miejsko-przemysłowych. Ten etap rozpoznania ograniczono do rejonów wykrytych anomalii, które obejmują nieznaczny procent obszaru Polski. Opracowano atlasy geochemiczne aglomeracji Górnego Śląska, Warszawy, Krakowa, Kielc, Łodzi, Poznania, Szczecina, Wałbrzycha, Wrocławia, Pobrzeża Gdańskiego, Częstochowy i Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego.

Terenem jednego z pierwszych opracowań regionalnych był Górny Śląsk, który zajmuje pozycję wyjątkową w obrazie geochemicznym Polski, stanowiąc wyrazistą regionalną anomalię zespołu pierwiastków Pb-Zn-Cd. Obszar ten jest najgęściej zaludnionym i najbardziej uprzemysłowionym okręgiem w Polsce. Jego podłoże budują węglanowe utwory karbońskie, przykryte na północy i na wschodzie skałami węglanowymi triasu, w których występują złoża rud cynkowo-ołowiowych. Wyniki badań wybranych pierwiastków pozwoliły na określenie specyficznego tła geochemicznego regionu, uwarunkowanego przez czynniki naturalne oraz wskazanie obszarów zanieczyszczonych antropogenicznie. Są one związane przede wszystkim z dwoma kompleksami przemysłowymi: historycznym górnictwem, przetwarzaniem i hutnictwem rud cynkowo-ołowiowych oraz górnictwem węgla kamiennego i przemysłem energetycznym. 

 

Wysoką zawartość kadmu (oraz ołowiu i cynku) zanotowano na obszarze zwartej anomalii obejmującej powiaty miejskie: Bytom, Piekary Śląskie, Świętochłowice, Chorzów, Siemianowice Śląskie, północną część powiatów Katowice i Ruda Śląska oraz zachodnią część powiatu Sosnowiec. Na terenie anomalii zawartość ołowiu w glebach poziomu powierzchniowego przekracza 250 mg/kg, cynku – 780 mg/kg, a kadmu – 10 mg/kg. Na terenie miast położonych w zachodniej i południowej części obszaru zawartość kadmu, ołowiu i cynku pozostaje w granicach naturalnego tła geochemicznego.

Do miast o glebach najbardziej zanieczyszczonych kadmem należą Piekary Śląskie i Bytom. Maksymalne koncentracje tego pierwiastka występują w glebach w dolinie Brynicy na osiedlu Brzozowice w Piekarach Śląskich. Zawierają one do 160 mg/kg Cd. W Świętochłowicach zawartość maksymalna kadmu wynosi 41 mg/kg, a nieco mniej w Chorzowie – 27 mg/kg. 

 

Etap III (1996–2029)

 

Wykonanie szczegółowych map geochemicznych w skali 1:25 000 jest planowane dla najbardziej zanieczyszczonych rejonów kraju (ok. 1,5% powierzchni Polski):

— śląsko-krakowskiego obszaru występowania anomalii Pb-Cd-Zn (ok. 2400 km²); 

— rejonów oddziaływania hut miedzi Głogów i Legnica (ok. 1200 km²);

— niektórych rejonów dawnego górnictwa i hutnictwa na Dolnym Śląsku (ok. 500 km²). 

Ten etap badań geochemicznych zainicjowano w regionie śląsko-krakowskim. Szczegółowe zdjęcie geochemiczne, ukierunkowane na rozpoznanie i ocenę chemicznej degradacji tego obszaru, rozpoczęto w 1996 r. opracowaniem arkusza pilotowego Szczegółowej mapy geochemicznej Górnego Śląska (SMGGŚ) 1:25 000 arkusz Sławków. Projekt systematycznego kartowania jest w trakcie realizacji, a jego zakończenie jest przewidziane się na 2029 r. Zaawansowanie prac prezentuje załączony skorowidz.

 

 

Efektem końcowym opracowania każdego z arkuszy w skali 1:25 000 jest atlas zawierający monopierwiastkowe mapy geochemiczne i tekst objaśnień (w wersji drukowanej i elektronicznej).

 

 

Badania obejmują analizy gleb z dwu zakresów głębokości: 0,0−0,3 m i 0,8−1,0 m oraz osadów i wód z rzek, strumieni, rowów, kanałów i zbiorników wód stojących. Gleby są pobierane z gęstością 16 próbek/km². Odległość między miejscami pobierania próbek na ciekach wynosi 250 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 i osadach jest oznaczana po roztworzeniu próbek w wodzie królewskiej. Oznaczany jest też odczyn gleb, zawartość węgla organicznego oraz ich skład mechaniczny. Analizy wód obejmują oznaczenia: Ag, Al, As, B, Ba, Ca, Cd, Cl, Co, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sb, SiO₂ , SO₄, Sr, Ti, Tl, U, Zn, pH i EC. Wyniki badań dotychczas przeprowadzonych pozwoliły na wskazanie terenów na których gleby, osady i wody zostały silnie zanieczyszczone. 

Na obszarze poszczególnych arkuszy w skali 1:25 000 najważniejszymi źródłami metali oraz siarki i arsenu są pozostałości zwałów po eksploatacji i flotacji rud Zn-Pb, hałdy odpadów historycznych hut cynku (powodujące kumulację w glebach cynku, kadmu, arsenu, ołowiu i siarki), współczesne hutnictwo żelaza i stali (wpływające na rozpraszanie chromu, manganu, molibdenu, miedzi i cyny) oraz energetyczne spalanie węgla z którym wiążą się emisje rtęci, siarki i pyłów zawierających metale. Wody powierzchniowe w rejonach eksploatacji rud Zn-Pb charakteryzują się zwiększoną wartością przewodnictwa elektrycznego, obojętnym odczynem, koncentracją metali ciężkich oraz Na, Cl, K, Li, B, Ba, Sr i SO₄ – składników pochodzących głównie ze zrzutu wód kopalnianych. 

 

 

Obszary intensywnych anomalii arsenu, ołowiu, kadmu, cynku  w glebach zanotowano w wielu rejonach. Przykładem jest południowo-wschodnia część obszaru objętego arkuszem Piekary Śląskie, gdzie zawartość arsenu w glebach warstwy powierzchniowej przekracza 160 mg/kg. W glebach ekstremalnie zanieczyszczonych arsenem notowano koncentracje 1500–5000 mg/kg w rejonie Żabich Dołów a w rejonie Buchacz-Nowy Dwór do 1395 mg/kg.

Osady zbiorników wód stojących przy południowej granicy obszaru arkusza, są silnie zanieczyszczone metalami. W rejonie Parku Mickiewicza w Bytomiu w osadach niewielkich zbiorników stwierdzono do 8 mg/kg srebra, 760 mg/kg arsenu, 126 mg/kg kadmu, 471 mg/kg chromu, 37,61% żelaza, 162 mg/kg niklu, 2810 mg/kg ołowiu i 29 590 mg/kg cynku.  Prawdopodobnym źródłem tych pierwiastków jest drenaż starych hałd odpadów po eksploatacji rud Zn-Pb i hutnictwie żelaza. Jest to rejon zasilania Bytomki przez strumień Graniczny Potok, który transportuje osady z terenu zbiorników Zespołu Przyrodniczo-Krajobrazowego Żabie Doły, gdzie gromadzono odpady po flotacji rud cynku i ołowiu. 

 

Anna Pasieczna