Assessment of the geogenic salinity conditions in the hyporheic zone of the Moszczenica River in the Rogóźno salt dome zone (Zgierz district) based on radium isotopes

Maciej Ziułkiewicz; Paweł Grabowski; Magdalena Długosz-Lisiecka

doi:10.7494/geol.2025.51.4.337

Authors

Maciej Ziułkiewicz University of Lodz, Faculty of Geographical Sciences, Department of Geology and Geomorphology, Łódź, Poland https://orcid.org/0000-0002-9196-845X
Paweł Grabowski Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Płock, Poland https://orcid.org/0000-0001-8918-4624
Magdalena Długosz-Lisiecka Lodz University of Technology, Institute of Applied Radiation Chemistry, Łódź, Poland https://orcid.org/0000-0003-1358-049X

DOI:

https://doi.org/10.7494/geol.2025.51.4.337

Keywords:

salt diapir, ascension, vertical hydraulic gradient, the Łódź Synclinorium, EMMA method

Abstract

On the border of the Kujavian Anticlinorium and the Łódź Synclinorium, the Rogóźno salt dome was formed and broke through the overburden of Mesozoic formations. The groundwater circulating around them leaches the salt body and, being saline, is subject to drainage in the Moszczenica valley. Previous measurements of vertical hydraulic gradients and physicochemical analyses showed conditions favorable for the penetration of aqueous solutions of Zechstein salt into the riverbed, which is particularly intensified at low surface water levels. The main objective of this publication is to determine the origin of groundwater flowing into the hyporheic zone (HZ) of Moszczenica using radium isotopes. Hydrochemical studies were carried out on deep groundwater in the supply area, flow and drainage zones of the Groundwater Body, within the boundaries of which the salt dome is located. The preliminary assessment of the hydrochemical specificity of HZ waters, carried out using the EMMA method, showed that these are waters which, as a mixture, cannot be related to any of the end member elements selected from the set of local groundwaters. Based on previous hydrochemical studies, the share of deep groundwaters in the HZ was determined to be 22–33%. On this basis, the reconstruction of the sought mixing end element was performed with the isotopic signature of the river water and the mixture of HZ waters. Using several computational scenarios, it was indicated that these may be waters from deep parts adjacent to the salt diapir of Cretaceous aquifers from the southwest.

Downloads

Download data is not yet available.

References

Barthold F.K., Tyralla Ch., Schneider K., Vache K.B., Frede H.-G. & Breuer F., 2011. How many tracers do we need for end member mixing analysis (EMMA)? A sensitivity analysis. Water Resources Research, 47(8), W08519. https://doi:10.1029/2011WR010604.

Battin T.J., Kaplan L.A., Newbold J.D. & Hendricks S.P., 2003. A mixing model analysis of stream solute dynamics and the contribution of a hyporheic zone to ecosystem function. Freshwater Biology, 48(6), 995–1014. https://doi.org/10.1046/j.1365-2427.2003.01062.x.

Bukowski Z., 1963. O możliwości wykorzystania solanek w okresie halsztackim na terenie Wielkopolski i Kujaw. Archeologia Polski, 8, 246–273.

Chałupnik S., 2004. Transfer izotopów radu z wodami kopalnianymi. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, 2, 65–78.

Chałupnik S., Michalik B., Wysocka M., Skubacz K. & Mielnikow A, 2001. Contamination of settling ponds and rivers as a result of discharge of radium-bearing waters from Polish coal mines. Journal of Environmental Radioactivity, 54(1), 85–98. https://doi.org/10.1016/S0265-931X(00)00168-5.

Charysz W., 1966. O czapie gipsowo-iłowej na wysadzie solnym w Rogóźnie koło Ozorkowa. Przegląd Geologiczny, 14, 269–272.

Chau N.D. & Kopeć M., 2010. Czynniki określające stężenia i stosunki aktywności izotopów radu w wodach podziemnych. Przegląd Geologiczny, 58, 499–505.

Chau N.D. & Nowak J., 2021. Natural radioactivity in thermal waters: A case study from Poland. Energies, 14(3), 541. https://doi.org/10.3390/en14030541.

Chau N.D., Nowak J., Bialic M., Rajchel L., Czop M. & Wróblewski J., 2011. Nowe wyniki badań zawartości naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w środowisku wodnym w rejonie Kowar. Biuletyn PIG, 445, 27–34.

Chau N.D., Kopeć M. & Nowak J., 2016. Factors controlling 226Ra, 228Ra and their activity ratio in groundwater – an application in Polish Carpathian mineral waters. Geology, Geophysics and Environment, 42(3), 337–351. https://doi.org/10.7494/geol.2016.42.3.337.

Chmielewska I., Chałupnik S., Wysocka M. & Smoliński A., 2020. Radium measurements in bottled natural mineral-, spring- and medicinal waters from Poland. Water Resources and Industry, 24, 100133. https://doi.org/10.1016/j.wri.2020.100133.

Christophersen N. & Hooper R.P., 1992. Multivariate analysis of stream water chemical data: the useof proncipal components analysis for the End-Member Mixing problem. Water Resources Research, 28(1), 99–107. https://doi.org/10.1029/91WR02518.

Chruścielewski W. & Kamiński Z., 1999. Radium and radon in natural underground waters supply in the region of Łódź, Poland. International Journal of Occupational Medicine and Environmental Health, 12(3), 229–238.

Czapowski G. & Tarkowski R., 2018. Uwarunkowania geologiczne wybranych wysadów solnych w Polsce i ich przydatność do budowy kawern do magazynowania wodoru. Biuletyn PIG, 472, 53–82.

Czop M., Chau N.D., Rajchel L., Rajchel J. & Motyka J., 2013. Występowanie izotopów uranu i radu w karpackich wodach chlorkowych. Biuletyn PIG, 456(14/1), 89–96.

Dadlez R., 1998. Mapa tektoniczna kompleksu cechsztyńskomezozicznego na Niżu Polskim. 1:500 000. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Dębski J., 1963. Dokumentacja geologiczna złoża soli kamiennej w wysadzie solnym Łanięta, gmina Łanięta, pow. Kutno, woj. Łódź. Narodowe Archiwum Geologiczne, Warszawa [unpublished].

Eikenberg J., Triccab A., Vezzua G., Stilleb P., Bajoa S. & Ruethia M., 2001. 228Ra/226Ra/224Ra and 87Sr/86Sr isotope relationships for determining interactions between ground and river water in the upper Rhine valley. Journal of Environmental Radioactivity, 54(1), 133–162. https://doi.org/10.1016/S0265-931X(00)00171-5.

Gooseff M.N., 2010. Defining hyporheic zones – advancing our conceptual and operational definitions of where stream water and groundwater meet. Geography Compass, 4(8), 945–955. https://doi.org/10.1111/j.1749-8198.2010.00364.x.

Górecki M. & Ziułkiewicz M., 2016. The presence of geogenically saline waters in the area of salt dome Rogóźno (central Poland). Geology, Geophysics and Environment, 42(3), 289–310. https://doi.org/10.7494/geol.2016.42.3.289.

Grabowski P., 2012. Radiologiczna ocena przydatności polskich wód geotermalnych do celów pitnych i balneologicznych. Politechnika Łódzka, Łódź [Ph.D. thesis].

Grabowski P., Długosz M., Szajerski P. & Bem H., 2010. A comparison of selected natural radionuclide concentrations in the thermal groundwater of Mszczonów and Cieplice with deep well water from Łódź city, Poland. Nukleonika, 55(2), 181–185.

Hycnar E. & Ratajczak T., 2019. Ewaporaty solne a polskie złoża węgla brunatnego. [in:] Lewicka E. (red.), Aktualia i perspektywy gospodarki surowcami mineralnymi, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków, 191–207.

James A.L. & Roulet N.T., 2006. Investigating the applicability of end-member mixing analysis (EMMA) across scale: A study of eight small, nested catchments in a temperate forested watershed. Water Resources Research, 42(8), W08434. https://doi.org/10.1029/2005WR004419.

Jaworski A., 1964. Powierzchniowe przejawy zasolenia na obszarze wysadu solnego w Rogóźnie koło Łodzi. Przegląd Geologiczny, 12, 148–149.

Jewtuchowicz S., 1967. Geneza pradoliny warszawsko-berlińskiej między Nerem i Moszczenicą. Prace Geograficzne – Polska Akademia Nauk. Instytut Geografii, 62, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Jodłowski A., 1977. Badania archeologiczne nad początkami eksploatacji soli w Polsce Środkowej. Sprawozdania Archeologiczne, 29, 179–187.

Kamiński J., 1993. Późnoplejstocenska i holoceńska transformacja doliny Moszczenicy. Acta Geographica Lodziensia, 64, Łódzkie Towarzystwo Naukowe, Łódź.

Kozłowska B., Walencik A., Przylibski T.A., Dorda J. & Zipper W., 2010. Uranium, radium and radon isotopes in selected brines of Poland. Nukleonika, 55(4), 519–522.

Kraemer T.F., 2005. Radium isotopes in Cayuga Lake, New York: Indicators of inflow and mixing processes. Limnology and Oceanography, 50(1), 158–168. https://doi.org/10.4319/lo.2005.50.1.0158.

Kraemer T.F. & Curwick P.B., 1991. Radium isotopes in the lower Mississippi River. Journal of Geophysical Research. Oceans, 96(C2), 2797–2806. https://doi.org/10.1029/90JC02456.

Krishnaswami S., Graustein W.C., Turekian K.K., Dowd F., 1982. Radium, thorium, and radioactive lead isotopes in groundwaters: Application to the in-situ determination of adsorption-desorption rate constants and retardation factors. Water Resources Restoration, 18(6), 1663–1675. https://doi.org/10.1029/WR018i006p01663.

Krishnaswami S., Bhushan R. & Baskaran M., 1991. Radium isotopes and 222Rn in shallow brines, Kharaghoda (India). Chemical Geology: Isotope Geoscience section, 87(2), 125–136. https://doi.org/10.1016/0168-9622(91)90046-Y.

Krzywiec P., 2006. Tektonika solna na Niżu Polskim – wnioski z interpretacji danych sejsmicznych. Przegląd Geologiczny, 54, 303–304.

Krzywiec P., 2009. Geometria i ewolucja wybranych struktur solnych z obszaru Niżu Polskiego w świetle danych sejsmicznych. Przegląd Geologiczny, 57, 812–818.

Kucharski M., Sokołowski A. & Olczak M. 2012. Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby eksploatacyjne złoża wód do celów leczniczych z osadów górnego oligocenu ujętych otworem M-1 w Kotowicach. Narodowe Archiwum Geologiczne, Warszawa [unpublished].

Macioszczyk A., 1988. Chemizm wód podziemnych dolin rzecznych oraz główne czynniki kształtujące go. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 347, 205–220.

Malard F., 2003. Groundwater-surface water interactions. [in:] Ward J.V. & Uehlinger U. (eds.), Ecology of a Glacial Flood Plain, Aquatic Ecology Series, 1, Springer, Dordrecht, 37–56. https://doi.org/10.1007/978-94-017-0181-5_3.

Marciniak M., Ziułkiewicz M. & Górecki M., 2022. Variability of water exchange in the hyporheic zone of a lowland river in Poland based on gradientometric studies. Quaestiones Geographicae, 41(3), 143–158. https://doi.org/10.2478/quageo-2022-0030.

Marek S., 1957. Wstępne rozpoznanie stratygraficzne dolnej kredy w obszarze Rogóźna i Ozorkowa. Geological Quarterly, 1, 247–258.

Meszczyński J. & Szczerbicka M., 2002. Mapa hydrogeologiczna Polski 1:50 000. Arkusz Zgierz (590). Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.

Moise T., Starinsky A., Katz A. & Kolodny Y., 2000. Ra isotopes and Rn in brines and ground waters of the Jordan-Dead Sea Rift Valley: Enrichment, retardation, and mixing. Geochimica et Cosmochimica Acta, 64(14), 2371–2388. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(00)00369-0.

Molewski P., 2007. Neotektoniczne i glacidynamiczne uwarunkowania wykształcenia plejstocenu Wysoczyzny Kujawskiej. Wydawnicto Naukowe UMK, Toruń.

Molewski P., 2014. Paleogeograficzne uwarunkowania odpływu wód z zastoiska warszawskiego doliną Bachorzy i pradoliną warszawsko-berlińską w czasie stadiału głównego zlodowacenia wisły. Landform Analysis, 25, 105–114. http://doi.org/10.12657/landfana.025.009.

Molina-Porras A., Condomines M. & Seidela J.L., 2017. Determination of low-level Radium isotope activities in fresh waters by gamma spectrometry. Applied Radiation and Isotopes, 120, 119–125. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2016.12.010.

Molina Porras A., Condomines M., Legeay P.L., Bailly Comte V. & Seidel J.L., 2020. Radium isotopes as a tracer of water sources and mixing in the Vidourle Stream (South of France). Aquatic Geochemistry, 26(2), 119–136. https://doi.org/10.1007/s10498-020-09371-1.

Moore W.S., 1996. Large groundwater inputs to coastal waters revealed by 226Ra enrichments. Nature, 380, 612–614. https://doi.org/10.1038/380612a0.

Moore W.S., 1999. The subterranean estuary: A reaction zone of ground water and sea water. Marine Chemistry, 65(1–2), 111–126. https://doi.org/10.1016/S0304-4203(99)00014-6.

Moore W.S., 2003. Sources and fluxes of submarine groundwater discharge delineated by radium isotopes. Biogeochemistry, 66(1–2), 75–93. https://doi.org/10.1023/B:BIOG.0000006065.77764.a0.

Moore W.S. & Edmond J.M., 1984. Radium and barium in the Amazon River system. Journal of Geophysical Research, 89(C2), 2061–2065. https://doi.org/10.1029/JC089iC02p02061.

Moore W.S. & Shaw T.J., 2008. Fluxes and behavior of radium isotopes, barium, and uranium in seven Southeastern US rivers and estuaries. Marine Chemistry, 108(3–4), 236–254. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2007.03.004.

Pazdro Z. & Kozerski B., 1990. Hydrogeologia ogólna. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Piotrowski A., 1999. Wpływ zróżnicowanego obciążenia strefy krawędziowej lądolodu na migrację soli. Przegląd Geologiczny, 47, 1016–1020.

Płóciennik M., Jóźwiak P., Długosz-Lisiecka M., de Mendoza G., Hodunko R., Brodecki J., Matera T., Słomczyński M., Tończyk G., Jabłońska A., Zawadzki W., Wrona W., Sławska A., Kaczorowski D., Młynarczyk M. & Ziułkiewicz M., 2025. Zasolenie geogeniczne wód rzecznych a bentos – szczególny przypadek rzeki Moszczenicy. [in:] Od molekuł do ekosystemów – współczesne badania w hydrobiologii: Streszczenia: XXVI Zjazd Hydrobiologów Polskich: Szczecin 16–19 września 2025 roku, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Szczecińskiego, Szczecin 2025, 89.

Porcelli D., 2008. Investigating groundwater processes using U- and Th-series nuclides. [in:] Krishnaswami S. & Cochran J.K. (eds.), U-Th Series Nuclides in Aquatic Systems, Elsevier, New York, 105–153.

Porcelli D. & Swarzenski P.W., 2003. The behavior of U-and Th-series nuclides in groundwater. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 52(1) 317–361. https://doi.org/10.2113/0520317.

Porcelli D., Kim C.K., Martin P., Moore W.S. & Phaneuf M., 2014. Properties of radium. [in:] The Environmental Behaviour of Radium: Revised Edition, IAEA Technical Reports Series, 476, International Atomic Energy Agency, Vienna, 6–32.

Przylibski T.A., Gorecka J.,Kula A., Fijałkowska-Lichwa L., Zagożdżon K., Zagożdżon P., Miśta W. & Nowakowski R., 2014. 222Rn and 226Ra activity concentrations in groundwaters of southern Poland: new data and selected genetic relations. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 301(3), 757–764. https://doi.org/10.1007/s10967-014-3215-x.

Skorupa J. & Dziewińska L., 1976. Kompleksowa interpretacja wyników badań geofizycznych dla strefy Gopło-Pabianice ze szczególnym uwzględnieniem utworów cechsztynu i podłoża. Kwartalnik Geologiczny, 20, 137–156.

Sokołowski J., 1966. Rola halokinezy w rozwoju osadów mezozoicznych i kenozoicznych struktury Mogilna i synklinorium mogileńsko-łódzkiego. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.

Souza T.A., Godoy J.M., Godoy M.L., Moreira I., Caralho Z.L., Salomao M.S. & Rezende C.E., 2010. Use of myltitracers for the study of water mixing in the Paraiba do Sul River estuary. Journal of Environmental Radiactivity, 101(7), 564–570. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2009.11.001.

Sturchio N.C., Banner J.L., Binz C.M., Heraty L.B. & Musgrove M., 2001. Radium geochemistry of ground waters in Paleozoic carbonate aquifers, midcontinent, USA. Applied Geochemistry, 16(1), 109–122. https://doi.org/10.1016/S0883-2927(00)00014-7.

Su N., Du J., Li Y. & Zhang J., 2013. Evaluation of surface water mixing and associated nutrient fluxes in the East China Sea sing 226Ra and 228Ra. Marine Chemistry, 156, 108–119. https://doi.org/10.1016/j.marchem.2013.04.009.

Szczerbicka M. & Meszczyński J., 2002. Mapa hydrogeologiczna Polski. Arkusz Głowno (591). Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.

Tomita J., Zhang J. & Yamamoto M., 2014. Radium isotopes (226Ra and 228Ra) in NaCl type groundwaters from Tohoku District (Aomori, Akita and Yamagata Prefectures) in Japan. Journal of Environmental Radioactivity, 137, 204–212. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2014.07.021.

Vinson D.S., Lundy J.R., Dwyer G.S. & Vengosh A., 2012. Implications of carbonate-like geochemical signatures in a sandstone aquifer: Radium and strontium isotopes in the Cambrian Jordan aquifer (Minnesota, USA). Chemical Geology, 334, 280–294. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2012.10.030.

Webster I.T., Hancock G.J. & Murray A.S., 1995. Modelling the effect of salinity on radium desorption from sediments. Geochimica el Cosmochimica Acta, 59(12), 2469–2476. https://doi.org/10.1016/0016-7037(95)00141-7.

Winter T.C., Harvey J.W., Franke O.L. & Alley W.M., 1998. Ground Water and Surface Water – A Single Resource,. US Geological Survey Circular.

Ziułkiewicz M., 2022. Salinization of the Moszczenica river’s hyporheic zone in the vicinity of the Rogóźno salt dome. Acta Geographica Lodziensia, 112, 163–184. https://doi.org/10.26485/AGL/2022/112/10.

Ziułkiewicz M., 2024. Underwater chemical denudation expressions of the Rogóźno salt dome on the example of the Moszczenica riverbed stretch in Gieczno. Acta Geographica Lodziensia, 116, 121–138. https://doi.org/10.26485/AGL/2024/116/7.

Ziułkiewicz M. & Grulke R., 2024. Hydrochemical aspects of water exchange through the bottom of headwater stream in suburban zone on the example of the Malina watercourse in Zgierz (Central Poland). Geology, Geophysics & Environment, 50(3), 231–251. https://doi.org/10.7494/geol.2024.50.3.231.

Ziułkiewicz M., Grulke R. & Gajda N., 2021. Identyfikacja dopływu substancji biogennych ze strefy hyporeicznej do koryta cieku źródliskowego na obszarze podmiejskim. [in:] Czerniawski R. & Bilski P. (red.), Funkcjonowanie i ochrona wód płynących, Volumina.pl Daniel Krzanowski, Szczecin, 263–281.

Ziułkiewicz M., Fortuniak A., Górowski J., Ajzert M., Kaźmierczak K., Lik K., Mytkowska N. & Ślusarczyk T., 2023. Zintegrowana ocena stanu hydrochemicznego doliny rzecznej w obszarze podmiejskim na przykładzie Strugi Dobieszkowskiej (Młynówki) (gm. Stryków Acta Universitatis Lodziensis). Folia Geographica Physica, 22, 19–36. https://doi.org/10.18778/1427-9711.22.02.

Zukin J.G., Hammond D.E., Ku T.L. & Elders W.A., 1987. Uranium-thorium series radionuclides in brines and reservoir rocks from two deep geothermal boreholes in the Salton Sea Geothermal Field, southeastern California. Geochimica el Cosmochimica Acta, 51(10), 2719–2731. https://doi.org/10.1016/0016-7037(87)90152-9.