Suurpellon purosedimenttinäytteen analyysitulokset Timo Tarvainen ja Mikael Eklund

Transkriptio

1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Etelä-Suomen yksikkö Espoo 150/2013 Suurpellon purosedimenttinäytteen analyysitulokset Timo Tarvainen ja Mikael Eklund

2 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Timo Tarvainen ja Mikael Eklund Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja Geologian tutkimuskeskus Raportin nimi Suurpellon purosedimenttinäytteiden analyysitulokset Tiivistelmä Suurpellon läpi virtaavan Lukupuron pohjassa on sulfidipitoisia, hienojakoisia sedimenttejä, niin sanottua potentiaalista hapanta sulfaattimaata. Sedimenttejä oli ruopattu loppuvuodesta 2012 koska runsaasti osmankäämiä kasvavan Lukupuron veden virtausta haluttiin parantaa. Geologian tutkimuskeskus otti Espoon Suurpellon alueelta kaksi sedimenttinäytettä kesäkuussa Toinen näyte otettiin Lukupurosta veden pinnan alla olevasta sedimentistä, toinen näyte noin puoli vuotta aikaisemmin ruopatusta sedimenttikasasta. Näytteistä määritettiin maastossa ph. Hapettuneen kasan ph oli 2,70, pelkistyneen veden alla olleen sedimentin ph oli 6,05. Näytteet ilmakuivattiin laboratoriossa ja niistä määritettiin alkuaineiden läheskokonaispitoisuudet uuttamalla näytteet typpihappoliuotuksella mikroaaltouunissa. Alkuainepitoisuuksia määritettiin myös kahdella heikkouutolla: 0.01 M BaCl2-uutolla ja 1 M ammoniumasetaattiuutolla. Sedimenttinäytteet poikkesivat toisistaan siten, että ruoppauskasan sedimentin ph oli alempi ja koboltin, nikkelin, sinkin ja kadmiumin pitoisuuksista suhteellisesti suurempi osuus liukeni heikkouuttoihin. Näytteiden rikkipitoisuus oli varsin suuri: sedimenttinäytteessä 0,99 % ja ruoppauskasassa 1,93 %. Varsinaisen Lukupuron vesi ei tutkimusaikana ollut hapanta. Ruopattujen rikkipitoisten sedimenttien ja osmankäämin esiintymisen yhteyttä ei voitu osoittaa. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) ympäristögeologia, geokemialliset tutkimukset, maaperä, sedimentit, alkuaineet, pitoisuus Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Espoo, Suurpelto Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus 150/2013 Kokonaissivumäärä 10 Kieli suomi Hinta Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue ESY Maankäyttö ja ympäristö Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

3 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 MATERIAALIT JA MENETELMÄT Näytteenotto Analyysit 3 3 TULOKSET JA POHDINTA 4 4 JOHTOPÄÄTÖKSET 7 KIRJALLISUUSLUETTELO

4 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 1 1 JOHDANTO Espoon Suurpelto on rakenteilla oleva uusi asuinalue, jonka maaperässä on jopa 25 metriä paksuja hienojakoisia sedimenttejä, jotka sisältävät paikoin runsaasti orgaanista ainesta ja sulfideja (Ojala 2011). Hapettomassa tilassa pohjavedenpinnan alapuolella sulfidisedimentit eivät aiheuta haittaa ympäristölleen ja näitä sedimenttejä kutsutaan potentiaalisiksi happamiksi sulfaattimaiksi (PHS; Edén ym. 2012). Maankäytön kuten ojituksen ja maiden kuivatuksen myötä pohjavedenpinta voi laskea ja kyseiset kerrokset altistuvat hapettumiselle ja sitä kautta myös happamoitumiselle, jolloin niistä tulee todellisia happamia sulfaattimaita (THS). Hapettumisen seurauksena sulfidikerrosten ph laskee keskimäärin arvosta 6-7 alle 4,5, paikoin jopa alle ph 3,5. Happamista sulfaattimaista aiheutuvia ongelmia ovat mm. maaperän ja vesistöjen happamoituminen sekä haitallisten metallien liukeneminen maaperästä ja sitä kautta myös pintavesien kemiallisen ja ekologisen tilan heikkeneminen. Lisäksi happamista sulfaattimaista aiheutuu ongelmia maatalouden tuottavuuteen ja kasvillisuuden monimuotoisuuteen, pohjaveden pilaantumista sekä teräs- ja betonirakenteiden syöpymistä rakentamisessa. Happamilla sulfaattimailla on myös yleisesti heikot geotekniset ominaisuudet (GTK 2013). Suurpellon läpi virtaavasta Lukupurosta oli ruopattu sulfidipitoista pohjasedimenttiä syksyllä Ruoppauskasoissa sulfidipitoiset sedimentit altistuivat hapettumiselle ja niissä tapahtui samanlaisia kemiallisia muutoksia kuin todellisten happamien sulfaattisavimaiden synnyssä pohjavedenpinnan laskiessa. Ruoppauksen syynä oli se, että vesi ei virrannut pois Suurpellon alueelta, koska osmankäämit kasvoivat ja tukkivat purouoman. Osmankäämit sietävät myös hapanta vettä, joten mahdollinen veden alhainen ph olisi voinut selittää osmankäämien runsautta. Anna-Kaisa Nuotio Ramboll OY:stä esitteli Suurpellon Lukupuron ruoppausaluetta GTK:n tutkijoille. GTK:sta alueeseen tutustuivat Mikael Eklund, Ossi Ikävalko, Maarit Saresma ja Timo Tarvainen. Tutustumiskäynnin yhteydessä mitattiin maaperän, sedimentin ja puroveden ph-arvoja kenttämittarilla. Lukupuron rannalta maaperästä mitattiin maaperän ph:ksi 3,9 5,1. Läjitetyn ruoppausmassan kasasta saatiin kasan pintamaan ph-arvoksi 3,1 ja syvemmältä samasta kasasta 3,7. Pienemmän kasan ph oli 3,2. Veden alta otetun, hapettumattoman purosedimentin ph purouomassa oli 6,5 eli selvästi suurempi kuin puoli vuotta aiemmin ruopattujen kasojen ph. Purovedestä määritettiin ph-arvoja 7,2 7,8. Yhden puroon laskevan ojan veden ph oli 8,35. Vesi tuli todennäköisesti rakenteilla olevalta alueelta, jossa tehtiin maaperän stabilointitöitä. Vesi oli kulkenut uuden betonisen siltarummun läpi juuri ennen mittauspistettä. Hienojakoinen, sulfideja, orgaanista ainesta ja osmankäämin juuria sisältävä ruoppausmassa kuivuu ja hapettuu kasoissa. Aineksen ph laskee ja se voi lisätä sedimenttiin sitoutuneen alumiinin ja raskasmetallien pitoisuutta. Toisaalta pienehköjen ruoppauskasojen läpi kulkee vai vähän vettä ja Lukupuron veden ph on varsin suuri muualta tulevien vesien ansiosta. Ei ole odotettavissa että kasoista mahdollisesti liukenevat metallit liikkuisivat pitkälle Lukupuron veden mukana. GTK päätti ottaa alueelta kaksi koenäytettä: toinen sedimentistä vedenpinnan alta, toinen ruoppauksen aikana tehdystä kuivuneesta sedimenttikasasta. Menetelmätutkimuksen tarkoituksena oli selvittää aktiivisen purosedimentin ja kuivuneen, hapettuneen ruoppausmassan kemiallisia eroja.

5 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 2 2 MATERIAALIT JA MENETELMÄT 2.1 Näytteenotto Mikael Eklund ja Timo Tarvainen ottivat näytteet Suurpellon läpi virtaavan Lukupuron rannalta. Näytteenottopaikka oli puistomainen. Näytteenottopaikan koordinaatit ovat , (EuRef FIN). Ensimmäinen näyte TTTA otettiin hapettuneesta, rakeisesta, vaalean harmaasta ruoppausmassakasasta (kuva 1). Kasa oli tehty ruoppauksen yhteydessä loppusyksyllä Toinen näyte TTTA otettiin veden alta aktiivisesti veden kanssa kosketuksessa olevasta hapettumattomasta mustasta pohjasedimentistä eli potentiaalisesta happamasta sulfaattimaasta cm syvyydeltä puroveden pinnasta (kuva 2). Kentällä mitattiin näytteiden ph. Hapettuneen kasan ph oli 2,70, pelkistyneen veden alla olleen sedimentin ph oli 6,05. Kuva 1. Näytteenottopaikka TTTA ruoppauskasa Suurpellon Lukupuron varrella.

6 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 3 Kuva 2. Purosedimenttiä, joka on otettu puron reunasta cm veden pinnan alta. Näyte TTTA on otettu tästä materiaalista. 2.2 Analyysit Näytteet kuivattiin alle 40 o C lämpötilassa ja seulottiin alle 2 mm raekokolajitteeseen. Laboratorio käytti näytteen kuivaukseen epähuomiossa ilmakuivausta, vaikka näytteille oli toivottu pakastekuivaus. Ilmakuivaus on hapettanut sedimentin rautasulfideja, joten myös sedimenttinäyte muistuttaa esikäsittelyn jälkeen hapettunutta ruoppauskasanäytettä. Esikäsittely ja analytiikka tehtiin Labtium OY:n akkreditoidussa laboratoriossa. Alkuaineiden lähes-kokonaispitoisuudet määritettiin uuttamalla näytteet typpihappoliuotuksella mikroaaltouunissa (US EPA 3051 menetelmä). Rikin kokonaispitoisuus määritettiin rikkianalysaattorilla, hiilen ja typen kokonaispitoisuudet polttoanalysaattorilla. Elohopeapitoisuus määritettiin pyrolyyttisesti. ph määritettiin laboratoriossa potentiometrisesti 0.01 M CaCl 2 -uutosta. Alkuainepitoisuuksia määritettiin myös kahdella heikkouutolla: 0.01 M BaCl 2 -uutolla ja 1 M ammoniumasetaattiuutolla. Näistä 0.01 M BaCl 2 -uutto kuvastaa fysikaalisesti mineraalirakeiden pinnoille sitoutunutta herkkäliukoista, eliöiden käytössä olevaa fraktiota. Ammoniumasetaattiuutto kuvaa mineraalien pinnoille kemiallisesti sitoutunutta, vaihtokykyistä fraktiota. Uutto liuottaa myös karbonaattimineraalit sekä heikosti kiteytyneet hydroksidisaostumat (Heikkinen ym. 2005). Kasanäytteestä TTTA tehtiin myös uusinta-analyysi. Laboratoriossa määritetty CaCl 2 -uuton ph oli 3,26 hapettuneelle kasanäytteelle ja 3,68 sedimenttinäytteelle.

7 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 4 3 TULOKSET JA POHDINTA Alumiinin pitoisuus eri uutoilla on esitetty kuvassa 3. Ruoppauskasasta otetun näytteen kokonaisalumiinipitoisuus oli hieman suurempi kuin puron pohjasta otetun sedimenttinäytteen alumiinipitoisuus. Kummassakin näytteessä heikompiin uuttoihin liuennut alumiinipitoisuus oli merkittävästi pienempi. Ammoniumasetaattiuutto liuotti alumiinia hieman enemmän kuin BaCl 2 -uutto. Kuvassa 4 on verrattu eri uuttoihin liukenevia rikkipitoisuuksia. Kasanäytteen kokonaisrikkipitoisuus 1,93 % oli suurempi kuin sedimenttinäytteen rikkipitoisuus 0,99 %. Kuvaajan mukaan kemiallisesti sitoutunut osuus on suurempi kasanäytteessä kuin sedimenttinäytteessä. Fysikaalisesti sitoutunutta arvioitiin 0.01 M BaCl 2 -uutolla. On mahdollista, että osa rikistä on saostunut Ba-sulfaattina, joten kuvassa esitetty BaCl 2 -liukoinen rikkipitoisuus on liian pieni (Päivi Kauppila, henkilökohtainen tiedonanto elokuu 2013). Taulukossa 1 on esitetty alkuaineiden pitoisuuksia tutkituissa näytteissä eri uuttomenetelmillä. Taulukossa 2 on verrattu eräiden alkuaineiden fysikaalisesti ja kemiallisesti sitoutuneen fraktion osuutta sedimentti- ja kuoppanäytteessä. Koboltin, nikkelin, sinkin ja kadmiumin fysikaalisesti tai kemiallisesti sitoutunut osuus on suurempi hapettuneessa ruoppauskasanäytteessä kuin sedimenttinäytteessä. Kyseiset metallit ovat suhteellisen helposti liikkuvia happamassa ympäristössä. Kuva 3. Alumiinipitoisuus Suurpellon ruoppauskasasta otetussa näytteessä (vasemmalla) ja Lukupuron pohjasedimentistä otetussa näytteessä (oikealla) kolmella eri uuttomenetelmällä määritettynä. AA = 1 M ammoniumasetaattiuutto, BaCl2 = 0,01 M BaCl2-uutto ja HNO3 = väkevä typpihappouutto.

8 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 5 Kuva 4. Rikkipitoisuus Suurpellon ruoppauskasasta otetussa näytteessä (vasemmalla) ja Lukupuron pohjasedimentistä otetussa näytteessä (oikealla) kolmella eri uuttomenetelmällä määritettynä. BaCl2 = 0,01 M BaCl2-uutto, AA = 1 M ammoniumasetaattiuutto, HNO3 = väkevä typpihappouutto ja TOT = rikkianalysaattorilla määritetty kokonaispitoisuus.

9 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 6 Taulukko 1. Alkuaineiden pitoisuuksia Suurpellon ruoppauskasasta ja Lukupuron pohjasedimentistä otetuissa näytteissä kesäkuussa BaCl2 = 0,01 M BaCl2-uutto, AA = 1 M ammoniumasetaattiuutto, HNO3 = väkevä typpihappouutto. AA BaCl2 HNO3 Alkuaine Kasa Sedimentti Kasa Sedimentti Kasa Sedimentti Al 1430,0 450, As 0,70 0,62 0,21 0, B 1,2 1,1 1,7 1, Ba 1,7 14, Be 0,465 0,145 0,39 0,0899 2,0 1,4 Bi 0,04 0,03 <0.002 < ,3 0,3 Ca 1510,0 483, Cd 0,14 0,05 0,45 0,28 Co 4,1 1,0 2,64 0, ,1 Cr 1,4 1,7 0,067 0,026 82,3 76,2 Cu 0,4 0,8 0,1 0,3 33,7 32,8 Fe K Li 2,59 0, Mg Mn 79,2 17,3 67,8 15, Mo 0,03 0,04 0,002 < ,24 0,30 Na Ni 8,9 1,8 10,2 2, P <2 < Pb 3,1 2,4 0,010 0, Rb 1,47 1,32 0,38 0, S , Sb 0,020 0,011 0,01 <0.005 <0.05 <0.05 Se 0,6 0,3 0,1 0,4 4,0 3,6 Si 97,5 116, Sr 17,9 5,22 1,9 3, ,6 Th 0,87 0,83 <0.02 < ,00 15,50 Ti 1,29 2,44 <0.1 < Tl 0,006 0,020 0,00 0,00 0,52 0,50 U 1,86 2,40 0,06 0,01 5,60 5,93 V 1,5 2,5 0,2 <0.1 80,5 75,5 Zn 30,9 5,25 31,3 4,

10 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 7 Taulukko 2. Fysikaalisesti ja kemiallisesti sitoutuneen fraktion osuus eräiden alkuaineiden pitoisuuksista Suurpellon ruoppauskasassa ja Lukupuron pohjasedimentissä. Fysikaalisesti sitoutunut osuus on arvioitu jakamalla BaCl2-uuton analyysitulos väkevään typpihappoliuotukseen perustuvan lähes-kokonaisanalyysin tuloksella. Kemiallisesti sitoutunut osuus on arvioitu jakamalla ammoniumasetaattiuuton analyysitulos typpihappoliuotukseen perustuvan lähes-kokonaisanalyysin tuloksella. Fysikaalisesti sitoutunut % Kemiallisesti sitoutunut % Alkuaine Sedimentti Ruoppauskasa Sedimentti Ruoppauskasa Al 0,3 1,6 1,1 3 As 1 2,5 8,7 8,4 Cd Co 6,5 16 8,8 24 Cr 0,03 0,08 2,3 1,7 Cu 0,8 0,4 2,6 1,1 Fe 1,0 1,8 8,6 6,5 Ni 6,7 22 5,5 19 Pb 0,4 0, Zn 4,9 19 5,5 19 Suomen sulfaattisavimaille on kehitetty riskiluokittelu (Edén ym. 2012). Luokittelu perustuu sulfidipitoisen maakerroksen syvyyteen, maastossa mitattuun pienimpään ph-arvoon ja analysoituun rikkipitoisuuteen. Lukupuron rantatörmä Suurpellossa sijoittuu sulfidikerroksen syvyyden perusteella luokkaan 1, koska hapettumaton sulfidisedimenttinäyte sijaitsi alle 1 metrin syvyydellä. Luonnontilainen sedimentti sijoittuisi ph-arvon mukaan pienimmän riskin luokkaan D, koska maastossa mitattu ph oli 6,05. Sen sijaan ruoppauskasan sedimentin ph 2,70 sijoittuu riskikuokittelussa korkeimpaan riskiluokkaan A. Myös rikkipitoisuuden 1,93 % perusteella ruoppauskasan sedimentti kuuluu korkeimpaan riskiluokkaan I. Veden alla olevan sedimenttinäytteen rikkipitoisuus oli 0,99% eli hieman alle I-luokan riskirajan. 4 JOHTOPÄÄTÖKSET Ruoppauskasojen sulfidipitoiset sedimentit sijoittuisivat happamien sulfaattisavimaiden luokittelun perusteella korkeaan riskiluokkaan. Ruoppauskasojen läpi virtaavan veden määrä oli kuitenkin tutkimusaikana hyvin vähäinen. Kasasta mitattu ph oli paljon pienempi kuin puron veden pinnan alta sedimentistä mitattu ph, mutta Lukupuron vesi ei ollut tutkimusaikana hapanta. Tutkimus ei tukenut oletusta puroveden alhaisen ph:n ja osmankäämien runsauden yhteydestä. Veden alta otettu sedimenttinäyte ja ruoppauskasasta otettu sedimenttinäyte poikkesivat siten että ruoppauskasan sedimentin ph oli alempi ja ruoppauskasan sedimentin koboltin, nikkelin, sinkin ja kadmiumin pitoisuuksista suhteellisesti suurempi osuus liukeni heikkouuttoihin. Pakastekuivaus olisi ollut parempi esikäsittelymenetelmä tällaisille sedimenttinäytteille. Tuorenäytteistä tehdyt paikalliset K d -määritykset olisivat voineet antaa paremman kuvan alumiinin ja muiden metallien liukoisuudesta.

11 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 8 Kiitokset Merja Autiola ja Anna-Kaisa Nuotio Ramboll OY:stä esittelivät tutkimusaluetta. Päivi Kauppila ja Marja Liisa Räisänen GTK:n Itä-Suomen yksiköstä neuvoivat analyysimenetelmien valinnassa. Ossi Ikävalko ehdotti rakentavia muutoksia raportin käsikirjoitukseen. Kirjallisuusluettelo Edén, P., Rankonen, E., Auri, J., Yli-Halla, M., Österholm, P., Beucher, A. & Rosendahl, R. Definition and classification of Finnish acid sulfate soils. [Electronic resource]. In: 7th International Acid Sulfate Soil Conference Vaasa, Finland 2012 : towards harmony between land use and the environment : proceedings volume. Geologian tutkimuskeskus. Opas 56. Espoo: Geologian tutkimuskeskus, Electronic publication. GTK Happamat sulfaattimaat - riskit ja kartoitus. Geologian tutkimuskeskuksen verkkosivu Vierailtu. Heikkinen, P. M. (ed.); Noras, P. (ed.); Mroueh, U.-M.; Vahanne, P.; Wahlström, M.; Kaartinen, T.; Juvankoski, M.; Vestola, E.; Mäkelä, E.; Leino, T.; Kosonen, M.; Hatakka, T.; Jarva, J.; Kauppila, T.; Leveinen, J.; Lintinen, P.; Suomela, P.; Pöyry, H.; Vallius, P.; Nevalainen, J.; Tolla, P.; Komppa, V Kaivoksen sulkemisen käsikirja. Abstract: Handbook for mine closure. Espoo: Outokumpu : Tieliikelaitos : Maa ja Vesi : GTK : VTT. 165 p Ojala, A.E.K Construction suitability and 3D architecture of the find-grained sedimentary deposits in southern Finland examples from Espoo. Geological Survey of Finland, Special Paper 49,