Geologian tutkimuskeskuksen järvisedimenttihankkeen havaintopaikkojen valinnasta ja sedimenttikertymien laskennasta Arto Itkonen

Transkriptio

1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Yksikkö Kuopio 86/2018/ Geologian tutkimuskeskuksen järvisedimenttihankkeen havaintopaikkojen valinnasta ja sedimenttikertymien laskennasta Arto Itkonen Espoo Kokkola Kuopio Loppi Outokumpu Rovaniemi www. Puh./Tel V-tunnus 1 FO-nummer 1 Business ID:

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteen lisäteksti GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Tekijät Itkonen Arto KUVAILULEHTI /86/2018 Raportin laji :n työraportti Toimeksiantaja Raportin nimi Geologian tutkimuskeskuksen järvisedimenttihankkeen havaintopaikkojen valinnasta ja sedimenttikertymien laskennasta Tiivistelmä Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Järvi, sedimentti, järvisedimentti, akkumulaatio, eroosio, transportaatio, mallinnus Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi Karttalehdet Muut tiedot Alkuperäinen raportti vuodelta 1998, arkistointi v Arkistosarjan nimi Arkistotunnus 86/2018 Kokonaissivumäärä Kieli Hinta Julkisuus Suomi Julkinen Yksikkö ja vastuualue Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

3 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteen lisäteksti Sisallysluettelo Kuvailu lehti 1 Havaintopaikkojen lukumäärä 2 havaintopaikkojen sijoittuminen 3 Sedimenttikertymien laskeminen 3.1 Sedimenttimäärien laskeminen: esimerkkinä Pihlajavesi 4 kirjallisuus

4 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 1 1 HAVAINTOPAIKKOJEN LUKUMÄÄRÄ Tutkimusjärvien valinta oli suoritettu Suomen ympäristökeskuksen toimesta siten, että Suomen järvityypit ja järvien kokoluokat tulevat hyvin edustetuiksi. Vuoden 1998 aineisto käsittää 11 yli 100 km 2 :n allasta, yhdeksän km 2 :n suuruista, seitsemän 1-10 km 2 :n ja neljä alle 1 km 2 :n laajuista järveä. Valinnassa on siis pyritty pinta-alalliseen edustavuuteen. Lukumääräisesti tarkastellen aineisto ilmeisesti vinoutuu suuriin ja karuihin järviin päin. Havaintopaikkojen sijoittaminen ratkaistiin Excel-taulukkopohjalla (JÄRVET.XLS; Liite 1) Håkansonin ja Janssonin (1983) esittämien kaavojen avulla. Havaintopaikkojen tarvittava lukumäärä saatiin kaavasta: a, pinta- ala (km 2 x F, rikkonaisuus, jota käytetään epäsuorana indikaattorina pohjan epätasaisuudesta. Käytännössä näillä kahdella on havaittu hyvä korrelaatio (Håkanson, ). 1 0, normalisoitu rantaviivan pituus (km~ A, järven kokonaisala ( km 2 ), ts. vesialueen pinta -ala + saarten pinta -ala. Tyypillinen F- arvo Pohjoismaisessa järvessä on 2-4. Tässä tutkimuksessa tarvittavien muuttujien arvot on saatu seuraavasti: Pinta-ala Pinta-alat on saatu Suomen Ympäristökeskuksen järvirekisteristä ja tiedostosta josta on poimittu rantaviivan pituuksia (Piia Karjalainen, ). Mikäli nämä kaksi arvoa erosivat toisistaan alle 10%, käytettiin jälkimmäistä (uudempaa) lähdettä. Muussa tapauksessa käytettiin edellistä. Järven kokonaisalaa ei määritetty erikseen vaan rikkonaisuuslaskelmissa käytettiin vesialueen pinta-alaa.

5 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 2 Rantaviivan pituus Rantaviivan pituus saatiin Suomen Ympäristökeskuksen ilmoituksen perusteella (Jari Hakala; Piia Karjalainen, e mail). Joissakin tapauksissa GIS-menetelmin oli laskettu vain osaa järven pinta-alasta vastaava rantaviivan pituus (Keurusselkä 83%, Kivijärvi 50%, Kailavesi 61% ja Oulujärvi 40%). Tällöin rantaviivan pituus kerrottiin koko järven osuutta vastaavalla arvolla. lnl o,.---~ ,.~ ~ ~-.--.-~.----r ,..., (a) 2 4 II lio lake area 1 km21 Kuva 1. Tarvittavan näytemäärän riippuvuus järven alasta ja rikkonaisuudesta (Håkanson & Jansson, 1983). Saadut rikkonaisuusarvot vaihtelivat välillä 1,5 (Ruuhilampi) - 17,3 (Kallavesi) keskiarvon ollessa 5,5. Havaintopaikkoja kaavat antoivat keskimäärin 14 järveä kohden vaihteluvälin ollessa 3-56 (Pielinen).

6 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 3 2 HAVAINTOPAIKKOJEN SIJOITTUMINEN Havaintopaikkojen sijoittuminen laskettiin samalla Excel-pohjalla (JÄRVET.XLS) kuin lukumääräkin käyttämällä samoja lähtötietoja. Havaintopaikkojen sijainnin kannalta oleellista on ennustaa järven dynaamisten pohjatyyppien laajuudet ja rajasyvyydet Dynaamiset pohjatyypit ovat seuraavat (Håkanson & Jansson, 1983): Eroosiopohja Nykyisin hienoaineksen (<0,006 mm) sedimentaatiota ei tapahdu vaan materiaali hajoaa tai kulkeutuu kohti syvänteitä. Tyypillisesti mineraalimaapohja tai savipohja. Transportaatiopohja Hienoaineksen sedimentaatiota tapahtuu ajoittain mutta ei jatkuvasti. Esim. myrskyjen tai veden täyskierron yhteydessä näillä pohjilla tapahtuu myös eroosiota ja materiaali kulkeutuu kohti akkumulaatioalueita. Liejukerrokset ohuita ja kaikuluotainprofiileissa katkonaisia. Välissä saattaa esiintyä karkeampia Si-Hk -kerroksia. Tyypillisesti muutaman metrin veden syvyydessä tai voimakkaiden pohjavirtausten alueilla. Akkumulaatiopohja Hienoaineksen sedimentaatio jatkuvaa ja liejukerrokset paksuja. Kaikuluotainprofiileissa kerrokset yhtenäisiä ja vaakasuunnassa jatkuvia. Tyypillisesti peittävät savikoiden painanteita suurissa veden syvyyksissä. Winnowing-pohja Harvinainen pohjatyyppi matalissa lahdissa. Tuuli sekoittaa säännöllisesti sedimentin pintaa mutta koska se ei pääse kulkeutumaan mihinkään, kerrosluu se pääosin paikoilleen. Liejukerrokset voivat olla hyvinkin paksuja. Tässä tutkimuksessa ei winnowing-tyyppiä ole erotettu omaksi ryhmäkseen. Akkumulaatio, transportaatio- ja eroosiopohjan ala tutkimusjärvissä on arvioitu seuraavasti Ruotsin järville kehitetyillä kaavailla (Håkanson & Jansson, 1983):

7 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 4 ae + A eroosio- ja akkumulaatiopohjan alq aa, akkumulaatiopohjan ala; a, järven pinta- ala (km 2 ); D, keskisyvyys (m). Håkanson & Jansson (1983) huomauttavat yllä olevasta kaavasta seuraavaa: - Se toimii erittäin hyvin käytettävissä olevan havaintoaineiston pohjalta. - 8E+T = 100% järville joiden pinta-ala on hyvin suuri verrattuna keskisyvyyteen. Sedimentin resuspendoituminen hallitsee niiden limnologisia ominaisuuksia. - ae+t <33% järvissä resuspensio on melko vähäistä ja nämä järvet toimivat melko tehokkaina sedimentaatioaltaina. Yli 1 km 2 :n järville 8E+T ei normaalisti voi alittaa 15%. - ae+t=33-67%; resuspensio melko merkittävä tekijä. - ae+t =67-100%; resuspensio merkittävä tekijä ja kontrolloi esim. haitta-aineiden levinneisyyttä. Ainetaselaskelmat riskialttiita. - ae+t = 100% uudelleen järvi IIe joiden pinta-ala on hyvin pieni verrattuna keskisyvyyteen. Rinneprosessit hallitsevat täysin niiden sedimentaatiota.

8 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 5 Eroosio- ja transportaatiopohjan suhteelliset alat arvioitiin ilman tarkempaa käytettävissä olevaa havaintoaineistoa seuraavasti: ar, transportaatiopohjan alq ae, eroosiopohjan ala Näitä kaavoja tulisi ehdottomasti tarkentaa kaikuluotaindiagrammeista saatavan lisäinformaation avulla. Keskisyvyys: Keskisyvyys on yli 100 km 2 :n järville saatu Suomen Kariastosta (1986). Tämä taulukko on liitteenä 2. Kinnasjärven ja Kalliojärven keskisyvyydet saatiin Suomen ympäristökeskuksen järvirekisteristä. Muissa järvissä keskisyvyys arvioitiin järven pinta-alan ja maksimisyvyyden perusteella Kuusiston (1998) esittämän taulukon pohjalta (taulukko 1 ). Ontojärven ja Keyrittyjärven maksimisyvyydet saatiin järvirekisteristä, muille käytettiin suurinta kartoissa esiintyvää syvyyttä tai suurinta vedenlaadun seurantapisteen syvyyttä. Kukkiasta, Sääksjärvestä, Sääjärvestä ja Ruuhilammesta ei ollut käytettävissä tarvittavia lähtötietoja, joten arvio pohjatyypeistä näissä järvissä jäi laskematta. Taulukko 1. Suomen järvien keskisyvyydet ja keskimääräiset maksimisyvyydet kokoluokittain (Kuusisto, 1998) sekä keskisyvyyden prosenttiosuus keskimääräisestä maksimisyvyydestä. Kokoluokka Keskisyvyys Keskimääräinen Keskisyvyys vs. (km 2 ) (m) maksimisyvyys (m) maksimisyvyys (%) <0,01 2,0 4,1 48,8 0,01-0,1 2,6 5,7 45,6 0,1-1,0 3,1 8,4 36,9

9 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti ,6 11,8 30, ,1 27,8 21,9 >100 7,9 48,9 16,2 Edellä kuvatulla tavalla laskettuna eroosio- ja transportaatiopohjan ala vaihteli välillä 15,4% (Pyhäjärvi ja Kalliojärvi) -100% Oulunjärvi. Keskiarvoksi saatiin 41,8%. Tarkasteltujan tutkimusjärvistä ajettujen kaikuluotainprofiilien perusteella arviot pitävätkin suhteellisen hyvin paikkansa.

10 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 7 Koska näytteitä oli varsinkin suunniteltua järvisedimenttien geokemiallista atlasta varten järkevää ottaa kaikilta pohjatyypeiltä, oli tarpeen määrittää myös niiden rajasyvyydet Rajasyvyydet määritettiin seuraavilla kaavailla (Håkanson & Jansson, 1983): _ (45,7 L 1 ). _ (30,4 L 1 ). DT-A- (Lf+ 21,4) ' DE- T - (Lf + 34,2)' DT - A, kriittinen veden syvyys (m) transpartaatie 1 akkumulaatiorajalla; DE-T, kriittinen veden syvyys ( m) eroosio 1 transportaatiorajalla; LI' "effective fetch". "Effective fetch" tarkoittaa tuulen vapaasti järven pinnalla kulkeman matkan eräänlaista painotettua keskiarvoa. Se määritettiin käytännössä karttamateriaalista Håkansonin ja Janssonin (1983, s. 190) esittämän piirtoheitinkalvolle kopioidun diagrammin avulla. Etäisyys mitattavasta pisteestä rannalle tai saareen mitattiin kaikille kulmille y;, missä y; = ±6, ±12,..., ±42. Lt laskettiin sitten tätä varten kehitetyn Excel-pohjan (FETCH.XLS; Liite 3) avulla kaavasta: L = Ix; cos Y; s' L..cos Y; f ~ ' I cos y;, 13, 5, vakio; s ', mittakaavavakio; s ' = 2, 5 1: kartalle jne. ; L 1, "effective fetch" (km). Sekä maksimi että minimi-fetch laskettiin jokaiselle järvelle. Maksimit löytyvät suurten selkien pituusakselin suunnassa olevista avoimista lahdista ja minimit suojaisemmista paikoista esim. saarten väl istä. Näytteenottokartoilta rajattiin pois liian suojaiset paikat joissa edellä mainitut laskelmat eivät päde. 'Turvalliset' näytteenottosyvyydet laskettii n siten, että pohjavyöhykkeen kriittisen syvyyden alarajana käytettiin maksimifetchin mukaista arvoa (tai eroosiopohjilla 0 m) ja ylärajana minimi-fetchin mukaista arvoa (tai akkumulaatiopohjilla järven maksimisyvyyttä). Useissa tapauksissa tämä johti siihen, että alarajan syvyys oli suurempi kuin ylärajan, jolloin kyseisen vyöhykkeen näytteenottosyvyys määritettiin näiden puoleen väliin.

11 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 8 Havaintopaikat sijoitettiin Iaskatuiiie syvyysvyöhykkeille hajapisteittäin mahdollisimman kattavasti. Apuna käytettiin mahdollisuuksien mukaan järvistä ajettuja kaikuluotaindiagrammeja. Kunkin pohjatyypin havaintopaikkojen lukumäärä saatiin pohjatyyppien arvioidun alan suhteessa. Näytteenotossa pyrittiin noin ±40 cm :n syvyystarkkuuteen, mikä vei jonkin verran lisäaikaa. Valituille havaintopaikoille päästiin sinänsä nopeasti ja tarkasti, sillä suunnistamiseen käytettiin radiokorjattua GPS-Iaitteistoa. Näytteenoton onnistuneisuus voidaan (ja tuleekin) tarkistaa jälkeenpäin, sillä havaintopaikkojen stratigrafia kuvattiin kenttäkortteihin. Käytettävissä olevista resursseista johtuen ei suurimpien järvien näytteenottoa voitu toteuttaa kokonaisuudessaan. Ratkaisuna näistä järvistä valittiin kooltaan sopiva ja rikkonaisuudeltaan sekä vedensyvyydeltään mahdollisimman edustava osa-allas, johon näytteenotto keskitettiin. Osa-altaiden tulokset on esitetty tiedostossa JÄRVET.XLS (Liite 1 ). Tarvittava havaintopaikkojen määrä osa-altaittain arvioitiin niiden lähinnä karttatulkinnalla saatujen pinta-alaosuuksien perusteella. Tässä käytettiin hyväksi 1 : vesistöaluekarttoja (Ekholm, 1992). Effective fetch:it laskettiin jokaiselle osa-altaalle erikseen (Liite 3). 3 SEDIMENTTIKERTYMIEN LASKEMINEN Sedimenttikertymien laskennassa hyödynnetään seuraavia kaavoja: Kertymä (Tolonen ja muut, 1976): K = ( W) 1 00 r T p; K, ainekertymä ( mg m 2 y 1 ~ r, sedimentaationopeus(mm y \ T, tilavuuspaino (kg dm 3 = g cm 3 ~ p, aineen pitoisuus-% (DW). Tilavuuspaino (Håkanson & Jansson, 1983):

12 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 9 p, märkätiheys (g cm= kg dmx W, vesipitoisuus(%); IG 0, orgaaninen aines tuorepainosta (%); Pm mineraaliaineksen tiheys("=' 2,6 g cm 3 ~ Orgaanisen aineksen osuus tuorepainosta: IGO = 100-w IG 100 ' IG, hehkutushäviö. Kertymän laskennassa ja varsinkin tulosten tulkinnassa tulee ottaa huomioon monia seikkoja joita on käsitelty julkaisussa Itkonen (1997). Yksi tärkeimmistä on sedimentin pintakerroksen kertymien näennäisyys: suuri osa ns. reaktiivisessa kerroksessa olevasta aineesta palaa vielä kiertoon takaisin vesimassaan. Juuri tästä syystä hajapisteiden näytteenotossa päädyttiin ottamaan pintakerroksen lisäksi toinen näyte reaktiivisen kerroksen alta. Kertymät ovat myös hyvin herkkiä pienillekin virheille ajoituksissa ja suuret muutokset kertymissä saattavat peittää stratigrafisesti tärkeitä muutoksia pitoisuuksissa. Joka tapauksessa kertymät ovat sedimenttigeokemiallisesti yleensä huomattavasti tehokkaampi muoto käsitellä geokemiallista dataa kuin alkuainepitoisuudet 3.1 Sedimenttimåårien laskeminen: esimerkkinä Pihlajavesi Seuraavassa on laskettu yhdellä tavalla Pihlajavedessä kerrostuneen järviliejun kokonaismäärä. Tämä tapa on vain yksi mahdollisuus suorittaa arvio ja siinä käytetyt kaikuluotaindiagrammit on tulkittu karkeasti. Lopullisessa laskennassa tulee käyttää tarkempia useampia mittauksia ja tarkempia arvoja varsinkin sedimenttikerroksen paksuuksista.

13 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 10 Liitteissä 4-5 on esitetty Pihlajavedestä ajetut kaksi kaikuluotainprofiilia, tulkittu järviliejun alaraja ja tulkittu pohjadynaaminen tyyppi. Kaikuluodatusta linjasta tulkittiin noin 0,8% eroosiopohjaksi, noin 52,3% transportaatiopohjaksi ja noin 46,7% akkumulaatiopohjaksi. Aiemmin esitetyillä malleilla saatiin vastaaviksi osuuksiksi noin 10,1 %, 23,6% ja 66,3%. On selvää, että kaikuluotainprofiilit eivät edusta järven koko pohjan alaa kovin hyvin, onhan ne suunniteltu kulkemaan syvänteiden kautta. Lisäksi ne eivät ulotu aivan rantoihin, joten eroosiopohjat aliedustuvat. Kuitenkin ainakin Pihlajaveden tapauksessa näyttää transportaatiopohjia olevan huomattavasti laskennallisesti arvioitua enemmän. Rinne- ja virtausprosessit vallitsevat monin paikoin syvilläkin pohjan alueilla - kerrokset ovat ohuita ja monin paikoin stratigrafiset horisontit katkeavat. Silti laskennallisten mallien uskotaan useimmissa järvissä antavan osuvampia tuloksia koko pohjan tilanteesta. Järviliejukerroksen paksuus arvioitiin jokaisen kaikuluotainprofiilissa olevan pykälän kohdalta erikseen. Pohjatyyppien keskipaksuudet olivat seuraavat: Eroosiopohja Om; T ransportaatiopohja 1,47 m; Akkum ulaatiopohja 3,37 m. Kun kerrospaksuudet kerrotaan transportaatio- ja akkumulaatiopohjan laskennallisilla ja kaikuluotaindiagrammeista määritellyillä pinta-aloilla, saadaan järviliejun kokonaismääräksi edellisessä tapauksessa 51,3*1 06 m 3 ja jälkimmäisessä 46,6*1 0 6 m 3. Virhe on merkittävä muttei tee tuloksista käyttökelvottomia. Muista virheistä voidaan mainita mm. mainittu kaikuluotainprofiilien kulku syvänteiden kautta, joka saattaa johtaa myös sedimentin fokusoitumisesta johtuvaan kerrospaksuuksien ja siten sedimenttimäärien yliarviointiin. Esimerkiksi hiilen määriä sedimentissä laskettaessa on edellä esitetyt määrät kerrottava hiilen pitoisuuksilla sedimentissä luonnollisesti siten, että havaitut erot pohjatyypeittäin ja sedimenttisyvyyksittäin otetaan huomioon. 4 KIRJALLISUUS Ekholm, M., Suomen vesistöalueet Vesi- ja ympäristöhallinnon julkaisujaa 126, 163 s. Håkanson, L., A mathematical model for establishing numerical values of topographical roughness for lake bottoms. Geogr. Ann. 56 A: Håkanson, L. & M. Jansson, Principles oflake sedimentology. Springer, Berlin, 316 s.

14 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Ylätunnisteenlisäteksti 11 Itkonen, A., Past trophic responses of boreal shield lakes and the Baltic Sea to geological, climatic and anthropogenic inputs as inferred from sediment geochemistry. Annales Universitatis Turkuensis, A II 103, 53 s. Kuusisto, E., Suomen järvien syvyyssuhteet Terra, käsikirjoitus, 11 s. Tolonen, K., M. Tolonen, L. Honkasalo, A. Lehtovaara, K. Sorsa & K. Sundberg, Esihistoriallisen ja historiallisen maankäytön vaikutuksesta Lammin Lampellonjärven kehitykseen. Luonnon Tutkija 80: Suomen Kartasto, Vihko 132: Vedet. Maanmittaushallitus & Suomen Maantieteellinen Seura, 31 s.