Tekst / Artykuł

Sławomir MAJ
Polskie Towarzystwo Geofizyczne / Instytut Geofizyki PAN – Warszawa
GEOTERMIKA W PRACACH INSTYTUTU GEOFIZYKI
I METEOROLOGII UNIWERSYTETU JANA KAZIMIERZA
WE LWOWIE (1918 – 1939)
GEOTHERMIC RESEARCHES AT THE INSTITUTE
OF GEOPHYSICS AND METEOROLOGY
OF JAN KAZIMIERZ UNIVERSITY IN LWÓW (1918-1939)
Stanisław K r a m s z t y k (1841–1906) w popularnonaukowej rozprawie pt.
Zagadka wnętrza Ziemi, opublikowanej pod koniec XIX w., poświęcił sporo miejsca
ówczesnym osiągnięciom w dziedzinie badań geotermicznych. Jeśli jednak chodzi
o teren Polski, wspomina tylko o istnieniu otworu wiertniczego w Paruszowicach
pod Rybnikiem: „ ... najbardziej pogłębiony dotychczas otwór, który przeszedł już
2000 m, znajduje się w Paruszowicach pod Rybnikiem na Szląsku Górnym”
(Kramsztyk, 1909). Gradient geotermiczny (odwrotność stopnia geotermicznego)
w odwiercie tym wynosił G = 31,5 K/km (ponieważ mierzono temperaturę rdzeni
wydobywanych na powierzchnię, wartość ta jest mocno niepewna (Rudzki, 1909)).
Według Edwarda S t e n z a (1897-1956), temperatura na głębokości 1960 m
w paruszowickim szybie wynosiła 69,2ºC (342,2 K), natomiast w odległym o 9
km odwiercie „Człuchów” na poziomie 2221 m zmierzono temperaturę ok. 83,4ºC
(356,4 K) (np. Stenz, 1936).
Więcej szczęścia miała geotermika teoretyczna. W 1901 r. ukazała się w Krakowie praca profesora Maurycego P. R u d z k i e g o (1862-1916) z Uniwersytetu
Jagiellońskiego (kierownika pierwszej w świecie Katedry Geofizyki Matematycznej
i Meteorologii), zatytułowana O wieku Ziemi (warianty obcojęzyczne – Sur l’age
de la Terre, On the age of the Earth). Poświęcona problemom geochronologii, jest
Prz. Geof. LV, 1-2 (2010)
78
S. Maj
w rzeczywistości pierwszą w polskiej literaturze geofizycznej rozprawą z zakresu
geotermodynamiki. Autor, M.P. Rudzki – absolwent Uniwersytetów we Lwowie
i w Wiedniu, sugerując się modelem stygnięcia ziemskiego globu, podanym
przez Williama T h o m s o n a (Lorda Kelvina, 1824-1907) w 60. latach XIX wieku
(Thompson, 1863, 1864), opracował własną koncepcję modelu oziębiania się
Ziemi – modelu w postaci stygnącej i kurczącej się zewnętrznej sferycznej warstwy
litosfery (odpowiednik skorupy ziemskiej lub układu skorupa + górny płaszcz).
Wynikiem takiego procesu są fałdy, płaszczowiny powierzchniowe i inne deformacje skorupy. Z drugiej strony, szacując z danych kartograficzno-geologicznych
przypuszczalną zmianę wielkości powierzchni kuli ziemskiej, a co za tym idzie
– odpowiednie skrócenie jej promienia (R), można ocenić wielkość przedziału
czasowego, w jakim tego rodzaju efekt powstanie (oczywiście przy założeniu
określonego „charakteru” stygnięcia; Rudzki, 1901. Model Rudzkiego – zakwestionowany przez samego autora z powodu zarówno odkrycia radiogenicznego
ciepła skał, jak i konieczności uwzględnienia w obliczeniach zmian grawitacyjnej
energii potencjalnej Ziemi w efekcie kurczenia się globu (patrz Rudzki, 1909,
1911) – jest krańcowym wariantem znacznie bardziej realistycznego, współczesnego modelu stygnącej i kurczącej się nieco skorupy ziemskiej z wewnętrznymi
źródłami ciepła, podgrzewanej strumieniem ciepła dopływającym z płaszcza
(Maj, 1988, 1997).
W okresie przełomu XIX i XX wieku możemy doszukać się także pewnych
prac z zakresu geotermiki laboratoryjnej. Na przykład, Ignacy Z a k r z e w s k i
(1860-1932), docent i profesor (od 1893) na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym (pierwszy szef Katedry Fizyki) w c.k. Uniwersytecie Lwowskim (imienia
cesarza Franciszka I – zabór austriacki!), interesujący się fizyką lodu, termodynamiką ciał stałych oraz metodami kalorymetrii, badał relacje między ciepłem właściwym głównych minerałów skał magmowych a temperaturą (Zakrzewski, 1891,
1893). Znakomity fizyk (a także geofizyk) Marian S m o l u c h o w s k i (18721917), w okresie 1899-1913 kierownik Katedry Fizyki (Wydział MatematycznoPrzyrodniczy) Uniwersytetu we Lwowie, zajmował się m.in. właściwościami przewodnictwa cieplnego proszków i pyłów (np. drobnego kwarcu, ziemi okrzemkowej),
jako mieszanin dwu faz: stałej i gazowej, w zależności od ciśnienia gazu, a także
rozważył przypadek krańcowy – proszek w próżni (przewodnictwo cieplne tylko
przez styk granul i promieniowanie temperaturowe) (np. Smoluchowski, 1910a,b;
1911). W tym miejscu warto też wspomnieć o istnieniu krótkiej (i czysto teoretycznej) noty autorstwa Józefa K o w a l s k i e g o - W i e r u s z a (1866-1927), profesora fizyki w Uniwersytecie we Fryburgu (Szwajcaria), a od roku 1915 – w uczelniach warszawskich – Uniwersytecie i Politechnice (np. Birkenmajer, 1918;
Piłatowicz, 1992), pt. O warunkach, którym stałe przewodnictwa cieplnego kryształów
czynić zadość powinny, zamieszczonej w czasopiśmie Prace matematyczno-fizyczne,
tom 2, 100-103, Warszawa 1890.
Geotermika w Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie
79
W latach 1918-1939 interesowano się przede wszystkim pomiarami temperatury (T) i stopnia geotermicznego (dz/dT) (odwrotność gradientu geotermicznego
(dT/dz) w otworach wiertniczych na terenie Polski. Profesor Henryk A r c t o w s k i
(1871-1958), dyrektor Instytutu Geofizyki i Meteorologii Uniwersytetu Jana Kazimierza we Lwowie, zorganizował badania geotermiczne w szybach naftowych na
obszarze Przedgórza Karpackiego. Podjęcie badań terenowych w zakresie geofizyki
prospekcyjnej umożliwiły w pewnym stopniu dotacje z Komisji Fizjograficznej
Polskiej Akademii Umiejętności w Krakowie, ale przede wszystkim współpraca ze
Spółką Akcyjną Pionier ze Lwowa. Powstanie tej spółki związane było z poszukiwaniami i eksploatacją przez kapitał zagraniczny złóż mineralnych (m.in. bituminów) na obszarze Karpat Wschodnich i całego Podkarpacia. Bogata S.A. Pionier,
utrzymywana i finansowana przez kapitał zagraniczny, wyszukiwała, angażowała
i subwencjonowała znaczące ośrodki, żywo zainteresowane rozwojem fizycznych
metod poszukiwawczych, jak np. metody sejsmiczne, magnetyczne i elektryczne
lub grawitacyjne (np. Janczewski, 1930) i działalnością w terenie; do takiej grupy
placówek należał właśnie Instytut Geofizyki i Meteorologii UJK. Badaniami geotermicznymi objęto ok. 150 szybów naftowych całego Podkarpacia. Temperaturę
w odwiertach (szybach naftowych) mierzono na różnych głębokościach, najczęściej
co 20 lub 50 m. Układy pomiarowe skonstruowano w IGM UKJ. Zasadniczym elementem takiego układu był zestaw trzech lekarskich termometrów maksymalnych
(produkcji niemieckiej), umieszczonych w szklanych, dostatecznie wytrzymałych
i dobrze uszczelnionych pojemnikach. Pojemniki te, przymocowane co 20 lub 50 m
do odpowiednio długiej stalowej linki o średnicy 0,1 cm (i obarczone dodatkową
masą dla zwiększenia ciężaru) tworzyły system pomiarowy, który był opuszczany
na określoną głębokość odwiertu za pomocą mechanizmu korbowo-dźwigniowego.
Po zmierzeniu temperatury wyciągano go na powierzchnię; służył tylko do jednorazowego pomiaru. Możliwości pomiarów w szybie produkcyjnym istniały tylko
w nocy, kiedy szyb wyłączano z eksploatacji. Wyniki głębokościowych pomiarów
opracowywano ilościowo w Instytucie i ogłaszano np. w formie graficznej, jako
mapy horyzontalnego rozkładu temperatury głębnej (lub stopnia geotermicznego)
na różnych poziomach podłoża (Ołpińska-Warzechowa, 1988). Publikowano je
również w takich czasopismach, jak Komunikaty Instytutu Geofizyki i Meteorologii
UJK, Kosmos (wyd. Towarzystwa Przyrodników im. M. Kopernika we Lwowie),
Geographical Journal, a także prezentowano na sympozjach naukowych, np. na XIV
Międzynarodowym Kongresie Geologicznym (Madryt 1926) czy II Słowiańskim
Zjeździe Geografów i Etnografów w Polsce (Lwów 1927) (Arctowski, 1923a,b,c,d;
1925; 1926; 1928; 1929). Dla przykładu, w otworze wiertniczym „Krosno” uzyskano wartość średnią stopnia geotermicznego 41,1 m/K (czyli gradient G = 24,3
K/km), a w odwiercie „Bitków” 41,4 m/K (G = 24,2 K/km).
W Borysławiu (szyb „Kornhaber 2”) na głębokości 1500 m znaleziono temperaturę 47ºC (320 K) (przy czym zauważono, że wartości gradientu geotermicz-
S. Maj
80
nego stopniowo zwiększały się aż do głębokości z = 1000 m) (Stenz, 1954).
Ogólnie biorąc, pomiary terenowe wykonane przez zespół badawczy H. Arctowskiego sugerowały, że wschodnie Podkarpacie charakteryzuje się stopniem geotermicznym w granicach 30-40 m/K (czyli gradientem geotermicznym 33-25 K/
km) (Arctowski, 1923; Tabor, 1927; Zych, 1928; patrz też Ołpińska-Warzechowa,
1988). W 1929 r. Jan M o n i a k (1896-1986) i Stanisław Z y c h (1903-1992),
uczniowie i współpracownicy prof. H. Arctowskiego, przeprowadzili pierwsze
pomiary temperatury wgłębnej w głębokich otworach bitych dla uzyskania gorącej solanki dla celów leczniczych na terenie Ciechocinka (Moniak, Zych, 1930).
W Szubinie koło Bydgoszczy, w odwiercie o głębokości 2150 m, odnotowano
temperaturę 73ºC (346 K) i geotermiczny gradient o wartości ok. 30,5 K/km
(Stenz,1936; 1954). Omawiane wyniki weszły w skład pierwszej mapy izolinii
stopnia geotermicznego na obszarze Polski, sporządzonej w 1948 r. przez Stefana
Z. R ó ż y c k i e g o (1906-1988). Przebieg izolinii zgadzał się z konfiguracją wielkich jednostek tektonicznych: platformy prekambryjskiej (północno-wschodnia
Polska), platformy paleozoicznej i regionu orogenezy alpejskiej (Różycki, 1948).
Ponieważ prof. H. Arctowski był nie tylko geofizykiem, ale i geochemikiem
(Arctowski, 1921, 1922), w pracowniach Instytutu Geofizyki i Meteorologii UJK
sporo czasu przeznaczano na badania związków składu chemicznego i własności
fizycznych ropy naftowej z miejscem jej wydobywania (Arctowski, Gottlieb, 1933).
Przypuszczano bowiem, że skład chemiczny analizowanej ropy nie musi odpowiadać złożu związanemu z danym szybem, ale może być znacząco inny wskutek
migracji ropy między różnymi pokładami roponośnymi, migracji związanej ze
strukturą geologiczną i tektoniką podłoża. Przypuszczenia te sprawdziły się
w odniesieniu do wielu szybów, jak np.: Brzozowa, Bóbrka, Biecz, Grabownica,
Kosmacz, Libusza czy Ropianka (Ołpińska-Warzechowa, 1988).
Materiały wpłynęły do Redakcji 2 II 2010.
Literatura
A r c t o w s k i H., 1921, Kwestja soli potasowych w Polsce. Przemysł Chemiczny, nr 8, Lwów.
A r c t o w s k i H., 1922, Sole potasowe w Polsce. Komunikaty Instytutu Geofizyki i Meteorologii UJK
we Lwowie, 1, nr 1, 1-16 (także: Kosmos 46, 193-202).
A r c t o w s k i H., 1923a, Temperature gradient in petroleum wells of the Carpathians. Geograph. J., 64,
422-423.
A r c t o w s k i H., 1923b, O stopniu geotermicznym w szybach naftowych w Bitkowie. Komunikaty Instytutu
Geofizyki i Meteorologii UJK we Lwowie, 1, nr 4, 1-8 (także: Kosmos 48, 127-134).
A r c t o w s k i H., 1923c, Próba pomiaru stopnia geotermicznego w szybie Ratoczyn 5 w Borysławiu. Komunikaty Instytutu Geofizyki i Meteorologii UJK we Lwowie, 1, nr 5, 1-6 (także: Kosmos 48, 135-136).
A r c t o w s k i H., 1923d, Nowe pomiary gradientu geotermicznego w szybach naftowych Borysławia, Krosna
i Bitkowa. Komunikaty Instytutu Geofizyki i Meteorologii UJK we Lwowie, 1, nr 7, 1-45 (także:
Kosmos 49, 144-146).
Geotermika w Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie
81
A r c t o w s k i H., 1925, Geothermic researches made at Borysław. Geograph. J., 66, nr 5.
A r c t o w s k i H., 1926, Recherches sur les relations geothermiques de la region de Borysław, Comptes
Rendus, XIV-e Congres Geologique International, Madrid.
A r c t o w s k i H., 1928, O temperaturach wgłębnych Borysławia. Przem. Naftowy, nr 3, 462-463.
A r c t o w s k i H., 1929, Dalsze pomiary geotermiczne w Borysławiu, Tustanowicach i Maźnicy. Pamiętnik
II Zjazdu Słowiańskich Geografów i Etnografów w Polsce 1927, sekcja I, str. 1, Kraków.
A r c t o w s k i H., G o t t l i e b I., 1933, O pochodzeniu rop borysławskich. Komunikaty Instytutu Geofizyki
i Meteorologii UJK we Lwowie, 6, nr 72, 186-217.
B i r k e n m a j e r L.A., 1918, Udział Polski w uprawianiu i w rozwoju nauk ścisłych. [w:] Polska w kulturze
europejskiej, tom II, Drukarnia Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków (odbitka: str. 1-56).
K r a m s z t y k S., 1909, Zagadka wnętrza Ziemi. [w:] Wybór pism Stanisława Kramsztyka, tom I, Szkice
Przyrodnicze z dziedziny Fizyki, Geofizyki i Astronomii, Warszawa, Druk Rubiszewskiego i Wrotnowskiego, 63-95.
J a n c z e w s k i E.W., 1930, O zastosowaniu metod geofizycznych do poszukiwań naftowo-geologicznych w Karpatach i na Przedgórzu. [w:] Pamiętnik Pierwszego Zjazdu Geologiczno-Naftowego we Lwowie 14-15
grudnia 1929, Polski Instytut Geologiczny / Karpacka Stacja Geologiczna, Warszawa-BorysławLwów (z drukarni Zakładu Narodowego im. Ossolińskich), str. 80-96.
M a j S., 1988, O modelu cieplnej ewolucji Ziemi według M.P. Rudzkiego. Prz. Geof. 33, 4, 413-417.
M a j S., 1997, Od Maurycego P. Rudzkiego do Edwarda Stenza: Zarys dziejów badań geotermicznych w Polsce
w pierwszej połowie XX wieku. Prz. Geof., 42, 1, 19-23.
M o n i a k J., Z y c h S., 1930, Pomiary temperatur w głębokim szybie Ciechocinka. Komunikaty Instytutu
Geofizyki i Meteorologii UJK we Lwowie, 5, nr 59, 423-427.
O ł p i ń s k a - W a r z e c h o w a K., 1988, Instytut Geofizyki i Meteorologii Uniwersytetu Jana Kazimierza we
Lwowie (1920-1939). Prz. Geof. 33, 1, 65-81.
P i ł a t o w i c z J., 1992, Józef Kowalski-Wierusz (1866-1927). [w:] Sylwetki Profesorów Politechniki Warszawskiej, Prac. Hist. Bibl. Gł. PW, nr 93.
R ó ż y c k i S.Z., 1948, Uwagi o rozmieszczeniu stopnia geotermicznego w Polsce i krajach sąsiednich. Spraw.
Tow. Nauk. Warszawskiego, Wydz. III, Rok 1947, Warszawa.
R u d z k i M.P., 1901, O wieku Ziemi. Rozprawy Wydz. Matem.-Przyr. PAU, seria A, 41, Kraków,
1-38.
R u d z k i M.P., 1909, Fizyka Ziemi. Kraków, Nakładem Akademii Umiejętności.
R u d z k i M.P., 1911, Physik der Erde, Leipzig – Chr. Herm. Tauchnitz.
S m o l u c h o w s k i M., 1910a, O przewodnictwie cieplnem ciał sproszkowanych. Rozprawy Wydz. Matem.Przyr. PAU, seria A, 50, Kraków, 83-95.
S m o l u c h o w s k i M., 1910b, Sur la conductibilite calorifique des corps pulverizes. Bull. Intern. Acad. Sci.
Cracovie, Classe Sci. Math. Natur., serie A, 129-153.
S m o l u c h o w s k i M., 1911, Etudes sur la conductibilite calorifique des corps pulverises (suite). Bull. Intern.
Acad. Sci. Cracovie, Classe Sci. Math. Natur., serie A, 548-557.
S t e n z E., 1936, Ziemia (Fizyka Globu, Mórz i Atmosfery). Warszawa, Nakładem „Mathesis Polskiej”.
S t e n z E., 1954, Wstęp do geofizyki. PWN, Warszawa.
T h o m s o n W. (Lord K e l v i n), 1863, On the secular cooling of the earth. Philosoph. Magazine, ser.
4, t. 25, 1-14.
T h o m s o n W. (Lord K e l v i n), 1864, On the secular cooling of the Earth, Trans.Roy.Soc.Edinburgh ,
t. 23, 157-169.
Z a k r z e w s k i I., 1891 , O zależności ciepła właściwego ciał stałych od temperatury. Rozprawy Wydz.
Matem.-Przyr. PAU, Kraków, t. 23, 327-342.
Z a k r z e w s k i I, 1893, O gęstości i cieple topliwości lodu. Rozprawy Wydz. Matem.-Przyr. PAU, Kraków,
t. 24, 247-252.
Z y c h S., 1928, Temperatury wgłębne w szybie Stebnik 1, Komunikaty Instytutu Geofizyki i Meteorologii
UJK we Lwowie, 4, nr 44, 844-848.
82
S. Maj
Z y c h S., Ta b o r A., 1927, Wyniki pomiarów geotermicznych w szybie TESP IV w Kałuszu. Komunikaty
Instytutu Geofizyki i Meteorologii UJK we Lwowie, 3, nr 32, 886-892.
Streszczenie
Przedstawiono w zarysie stan badań geotermicznych w Polsce na przełomie XIX i XX wieku, ze
szczególnym uwzględnieniem roli Uniwersytetu we Lwowie (Uniwersytet Jana Kazimierza). Omówiono
– w dużym skrócie – działalność Instytutu Geofizyki i Meteorologii UJK we Lwowie w latach 19181939 w zakresie geotermiki stosowanej, pod kierunkiem prof. Henryka Bronisława Arctowskiego
(1871-1958).
S ł o w a k l u c z o w e : badania geotermiczne, Uniwersytet Jana Kazimierza we Lwowie, prof.
Henryk Arctowski
Summary
In few words, the early laboratory and theoretical geothermic studies in Poland of XIX / XX
century are presented. In particular, the interesting role of the University of Lwów (Jan Kazimierz
University) is taken into consideration. Many applied geothermal researches in the Institute of Geophysics and Meteorology at Jan Kazimierz University (1918-1939) are also taken into account. At
that time, Professor Henryk B. Arctowski (1871-1958) was head of this Institute.
K e y w o r d s : geothermic studies, Jan Kazimierz University of Lwów, professor Henryk
B. Arctowski