Blogi
Ympäristö

Happamilta sulfaattimailta liukenevat metallit rikastuvat merenpohjalle Vaasan saaristossa

Ensimmäisessä tutkimuksessa happamien sulfaattimaiden kuormituksesta Suomen merialueilla todettiin kohonneita metallipitoisuuksia sedimentissä yli 25 kilometrin etäisyydellä jokisuista. Metallien kulkeutumistapa näin kauas merelle jäi kuitenkin vielä osittain selvittämättä.

Happamat sulfaattimaat ovat visainen ongelma Suomen rannikkoseuduilla. Happamia sulfaattimaita syntyy, kun metallisulfidimineraaleja sisältävät maaperän kerrosyksiköt hapettuvat pohjaveden pinnan laskiessa esimerkiksi ojituksen seurauksena. Sulfidipitoisen maaperän hapettuessa vapautuu erittäin happamia ja metallirikkaita valumavesiä, jotka pahimmillaan aiheuttavat kala- ja pieneliöstön kuolemia vesistöissä. GTK:n yleiskartoitusten mukaan Suomessa on happamia sulfaattimaita tai helposti sellaisiksi muuttuvia maa-alueita eniten Euroopassa.

Happamien sulfaattimaiden kuormituksen levinneisyyttä merialueilla, ja mahdollisia haittavaikutuksia eliöstölle, on ensimmäistä kertaa Suomessa tutkittu Vaasan saaristossa. Vuosien 2016–2018 aikana GTK:n tutkimusalus Geomarilla tehtiin merenpohjan seismoakustisia luotauksia ja otettiin 9 sedimenttinäytesarjaa Vaasan edustalta avomerelle ulottuvalla alueella. Sedimenttinäytesarjat ajoitettiin cesium-menetelmällä, ja niistä määritettiin alkuaineiden kokonaispitoisuudet ja mineraaliaineksen raekokojakauma. Vaasan edustalle laskevat Laihianjoki ja Sulvanjoki ovat pahiten happamien sulfaattimaiden kuormittamien jokien joukossa Suomessa.

Tutkimuksen mukaan Vaasan saariston merenpohjan sedimentit ovat voimakkaasti rikastuneet tyypillisesti happamilta sulfaattimailta jokivirtaamien mukana kulkeutuvista metalleista Cd, Co, Cu, La, Mn, Ni ja Zn. Metallipitoisuudet saariston sedimenteissä kohoavat 1960- ja 1970-luvuilla, joka oli voimakasta ojittamisen aikaa Vaasan seudulla. Kuormituksen kasvu päättyi 1980-luvulla, mutta metallipitoisuudet eivät sen jälkeen ole juurikaan laskeneet. Metallipitoisuudet ylittävät tausta-arvot yli 25 km etäisyydelle saakka jokisuista (Kuva 1, näyte MGGN-2018-29). Ekotoksisuuden riskiraja-arvot ERM ja PEL ylittyvät sinkin osalta 12 km etäisyydellä jokisuista, osoittaen todennäköisiä vakavia haittavaikutuksia eliöstölle (Kuva 2). Metallipitoisuudet 12 km etäisyydelle asti ylittävät myös Sedimenttien ruoppaus- ja läjitysohjeen meriläjitykseen kelpaamattoman aineksen raja-arvon.

Kuva 1. Sinkin kokonaispitoisuuksien mediaaniarvot vuonna 1986 ja sen jälkeen kerrostuneissa sedimenteissä (yläkuva) ja ennen vuotta 1960 kerrostuneissa sedimenteissä (alakuva) näytesarjojen ottopaikoilla. Kirkkaanpunaisten pallojen koko on suhteutettu metallipitoisuuksiin. Niiden sisällä olevat tummat pallot kuvastavat taustapitoisuutta, joka on laskettu neljän avomereltä otetun näytesarjan (MGGN-2018-29, MGGN-2018-30, MGGN-2018-31, MGGN-2018-32) vuotta 1960 vanhempien sedimenttien pitoisuuksien keskiarvona. Laihianjoki ja Sulvanjoki laskevat Vaasan kaupunginlahteen kuvien oikeassa alakulmassa. Merikortti S-57 Liikennevirasto 2017.
Kuva 2. Nikkelin ja sinkin kokonaispitoisuuksien mediaaniarvot sedimenttinäytesarjoissa järjestettynä etäisyyden mukaan Laihianjoesta ja Sulvanjoesta. Valkoiset numerot ilmoittavat etäisyyden jokiin kilometreinä. Pylväiden yläpuolella olevat janat kuvaavat pitoisuuksien 75. persentiiliä. Sininen viiva osoittaa Sedimenttien ruoppaus- ja läjitysohjeen tasoa 2. Vihreä viiva osoittaa pohjoisamerikkalaista ekotoksikologista riskiraja-arvoa (ERM). Violetti viiva osoittaa kanadalaista ekotoksikologista riskiraja-arvoa (PEL). ERM ja PEL ovat pitoisuuden raja-arvoja todennäköiselle vakavalle haitalle eliöstölle.

Metallien kulkeutumistapa osittain selvittämättä

Metallien kulkeutumistapa näin kauas merelle jäi vielä osittain selvittämättä. Aiemmin mangaanin on ajateltu ohjaavan metallien kulkeutumista, sillä se saostuu merellä muodostaen Mn-hydroksidihiukkasia, joiden pinnoille muut metalli-ionit kiinnittyvät ja vajoavat merenpohjaan. Tutkimuksessa kuitenkin ilmeni, että Mn-pitoisuudet olivat koholla vain runsaan 12 km etäisyydelle saakka joista (Kuva 3, näyte MGGN-2017-18), joten Cd, Co, Cu, La, Ni ja Zn kulkeutumiselle yli 25 km päähän on luultavasti jokin toinen selitys. Kyseisillä metalleilla todettiin merkitsevä tilastollinen yhteys 2–6 µm kokoisiin sedimenttirakeisiin. Myös ravinteilla hiili ja typpi todettiin merkitsevä tilastollinen yhteys samaan raekokoluokkaan. On siis mahdollista, että jokien happamilta sulfaattimailta tuomat metallit kiinnittyvät pääosin orgaanisesta aineksesta koostuviin hiukkasryppäisiin (organic aggregates), joita saostuu jokiveden ja meriveden sekoittumisvyöhykkeessä jokisuissa, ja kulkeutuvat niiden mukana kauas merelle.

Mielenkiintoinen tutkimustulos on myös se, että raudan pitoisuudet Vaasan saariston sedimenteissä ovat taustapitoisuuden tasolla. Monilla muilla happamilla sulfaattimailla maailmassa rautayhdisteet ovat merkittävässä osassa metallien kulkeutumisessa vesistöissä.

Kuva 3. Mangaanin kokonaispitoisuuksien mediaaniarvot vuonna 1986 ja sen jälkeen kerrostuneissa sedimenteissä (yläkuva) ja ennen vuotta 1960 kerrostuneissa sedimenteissä (alakuva) näytesarjojen ottopaikoilla. Kirkkaanpunaisten pallojen koko on suhteutettu metallipitoisuuksiin. Niiden sisällä olevat tummat pallot kuvastavat taustapitoisuutta, joka on laskettu neljän avomereltä otetun näytesarjan (MGGN-2018-29, MGGN-2018-30, MGGN-2018-31, MGGN-2018-32) vuotta 1960 vanhempien sedimenttien pitoisuuksien keskiarvona. Laihianjoki ja Sulvanjoki laskevat Vaasan kaupunginlahteen kuvien oikeassa alakulmassa. Merikortti S-57 Liikennevirasto 2017.

Tutkimus on osa Suomen Akatemian Strategisen tutkimuksen neuvoston rahoittamaa SmartSea-hanketta.

Teksti

Joonas Virtasalo, erikoistutkija, Geologian tutkimuskeskus
Peter Österholm, yliopistonlehtori, Åbo Akademi
Aarno Kotilainen, tutkimusprofessori, Geologian tutkimuskeskus
Mats Åström, professori, Linnéuniversitetet

Alkuperäinen tutkimusartikkeli

Virtasalo, Joonas J; Österholm, Peter; Kotilainen, Aarno T; Åström, Mats E (2020): Enrichment of trace metals from acid sulphate soils in sediments of the Kvarken Archipelago, eastern Gulf of Bothnia, Baltic Sea. Biogeosciences 7, 6097–6113.

Tutkimuksen geokemiallinen ja raekokoaineisto

Virtasalo, Joonas J; Åström, Mats E; Österholm, Peter; Kotilainen, Aarno T (2020): Multielement data of sediment samples from the Kvarken Archipelago, eastern Gulf of Bothnia, impacted by metal loading from acid sulphate soils. PANGAEA.

Virtasalo, Joonas J; Åström, Mats E; Österholm, Peter; Kotilainen, Aarno T (2020): Grain size data of sediment samples from the Kvarken Archipelago, eastern Gulf of Bothnia, impacted by metal loading from acid sulphate soils. PANGAEA.