ARSEENI MAAPERÄSSÄ. Timo Tarvainen

Transkriptio

1 Toimittajat: Kirsti Loukola-Ruskeeniemi ja Pertti Lahermo Geologian tutkimuskeskus, 45 49, ARSEENI MAAPERÄSSÄ Tarvainen, Timo Arseeni maaperässä. Arseeni Suomen luonnossa, ympäristövaikutukset ja riskit. Geologian tutkimuskeskus, 45 49, kaksi kuvaa ja taulukko. Geologian tutkimuskeskus onkartoittanut maaperänarseenipitoisuuksiakäyttäen näytemateriaalina pohjamoreenia sekä peltomaan pinta- ja pohjaosaa. Moreenin hienoaineksen (alle 0,06 mm:n raekoko) arseenin kokonaispitoisuuden mediaani on keskimäärin 2,6 mg/kg. Peltomaasta on analysoitu alle 2 mm:n raekokoinen aines. Moreenimaallaolevienpeltojenpintamaanarseenipitoisuudenmediaaniarvo on 2,0 mg/kg ja pohjamaan 1,6 mg/kg. Hienorakeisissa peltomaissa arseenipitoisuudet olivat keskimäärin suurempia: mediaanipitoisuus pintamaassa 2,4 mg/kg ja pohjamaassa 2,3 mg/kg. Pienin keskimääräinen arseenipitoisuus oli karkearakeisten maalajien pelloilla: pintamaassa 0,51 mg/kg ja pohjamaassa 0,60 mg/kg. Orgaanisen peltomaan mediaanipitoisuudet olivat sekä pinta- että pohjamaassa 0,80 mg/kg. Vain pieni osa arseenin kokonaispitoisuudesta on kasvien käytössä olevassa muodossa. Tarvainen, Timo Arsenic in soils. Arsenic in Finland: Distribution, Environmental Impacts and Risks. Geological Survey of Finland, 45 49, two figures and one table. The Geological Survey of Finland has carried out a geochemical mapping in reconnaissance scale over the whole country, analysing the fine fraction (<0.06 mm) of till and <2 mm fraction of arable soils. Average total median concentration of arsenic in the fine fraction of till was 2.6 mg/kg. The median concentrations of arsenic in top and sub layers of agricultural till soils were 2.0 mg/kg and 1.6 mg/kg, respectively. Arsenic concentrations tend to be higher in fine-grained agricultural soils: median values in topsoil and subsoil were 2.4 mg/kg and 2.3 mg/kg, respectively. The lowest median As concentrations were measured in coarse-grained agricultural soils: topsoil 0.51 mg/ kg and subsoil 0.60 mg/kg. Arsenic concentration in biogenic soils was on average 0.80 mg/kg. Only a few per cent of the total arsenic concentration was in bioavailable form. Key words (GeoRef Thesaurus, AGI): geochemical surveys, arsenic, soils, till, arable lands, Finland. Geological Survey of Finland, P.O. Box 96, FI Espoo, FINLAND timo.tarvainen@gtk.fi MOREENI Geologian tutkimuskeskus on tehnyt kaksi valtakunnallista moreenigeokemiallista kartoitusta: suuralueellinen kartoitus näytteenottotiheydellä 1 näyte/300 km 2 ja alueellinen kartoitus tiheydellä 1 näyte/4 km 2. Suuralueellisessa kartoituksessa kerättiin 1056 näytettä muuttumattomasta pohjamoree- 45

2 nista noin 70 cm:n syvyydeltä (Koljonen 1992). Näytteet on yhdistetty kentällä viidestä osanäytteestä. Pohjamoreenissa kuvastuvat alkuaineiden luonnolliset, geogeeniset taustapitoisuudet. Koska suuri osa moreenin sisältämistä kivilaji- ja mineraalikappaleista on kulkeutunut vain muutamia kilometrejä jäätikön mukana, sen alkuainepitoisuuksiin vaikuttaa eniten paikallisen kallioperän alkuainekoostumus. Mannerjäätikön irrottama, murskaama, hienontama ja kuljettama moreeni sisältää kaikkia raekokoja savesta lohkareisiin. Harvaan näytteenottoon perustuvat valtakunnalliset kartoitukset antavat yleiskuvan suurista kallioperä- tai maaperäyksiköistä, joilla korkeahkot arseenipitoisuudet ovat yleisiä. Kaikkia kapeisiin kivilajiyksiköihin, kuten mustaliuskeisiin, liittyviä korkeita arseenipitoisuuksia ei kuitenkaan havaita harvalla näytteenotolla. Maapeitteen alla olevan kallioperän koostumuksen lisäksi moreenin alkuainepitoisuuksiin vaikuttavat hienoaineksen ja erityisesti saveksen runsaus, mineraalien ominaispinta-ala, aikaisempien jäätikkövaiheiden sedimenttien ja maannoskerrosten sekoittuminen jäätikön irrottaman rapautumattomaan kiviainekseen sekä erityisesti moreenin pintaosien huuhtoutuminen sulamisvaiheessa ja sen jälkeisenä aikana. Suuralueellisen geokemiallisen kartoituksen moreeninäytteistä seulottiin ja analysoitiin alle 0,06 mm:n raekoko (siltti ja saves). Kokonaisarseenipitoisuus määritettiin neutroniaktivointimenetelmällä (Koljonen et al. 1992). Myöhemmin tehdystä tiheämmästä alueellisesta geokemiallisesta kartoituksesta (tiheys 1 näyte/4 km 2 ) ei ole käytettävissä arseenimäärityksiä koko maasta (kuva 1). Arseeni rikastuu kivisulien erilaistuessa maankuoren yläosiin, ja arseenia on runsaasti kuumien lähteiden liuoksissa ja tulivuoren kaasuissa. Suomessakin arseenia on runsaimmin sellaisilla alueilla, joissa on muinaiseen tulivuoritoimintaan liittyviä vihreäkiviä. Tällaisia arseenianomalioita (yleensä 4 10 mg/kg, suurin pitoisuus 44 mg/kg) on ainakin Tampereen, Hämeen ja Ilomantsin vyöhykkeillä sekä Keski-Lapin alueella Kittilässä (kuva 1, Koljonen 1992). Tampereen vyöhykkeellä kallioperän tyypilliset arseenipitoisuudet ovat 1,2 28 mg/ kg ja Hämeen vyöhykkeellä 0,6 14 mg/kg (Lahtinen & Lestinen 1996). Tulivuoritoimintaan liittyvien kivien lisäksi arseenia voi olla runsaasti savisyntyisissä liuskeissa muun muassa Pohjanmaan ja Kuva 1. Arseenin kokonaispitoisuus moreenin hienoaineksessa. Figure 1. Distribution of arsenic concentrations in fine fraction of till. Savon vyöhykkeillä (yleensä 4 8 mg/kg, suurin pitoisuus 18 mg/kg) sekä Pohjois-Pohjanmaan liuskejaksolla (Roman ja Peuraniemi 1999). Pirkanmaan ja Peräpohjan vyöhykkeillä moreenin arseeni on osittain peräisin mustaliuskevälikerroksista. Arseenipitoisuudet ovat yleensä pienimpiä moreenissa sellaisilla kallioperäalueilla, joilla granitoidiset tai vahvasti metamorfoituneet kivilajit vallitsevat (alle 1 mg/kg). Moreenin hienoaineksen keskimääräinen arseenin mediaanipitoisuus on Suomessa 2,6 mg/kg, mikä on hieman enemmän kuin maan kuoressa keskimäärin (taulukko 1). Suurin osa pohjamoreenin arseenista on tiukasti sitoutunut mineraaleihin. Tarvainen ja Kallio (2002) vertaisivat arseenin kokonaispitoisuutta löyhästi sidottuun kasvien käytössä olevaan arseenin määrään analysoimalla 90 eri puolilta maata kerättyä 46

3 Arseeni maaperässä Taulukko 1. Arseenipitoisuuden tilastolliset tunnusluvut eri näytemateriaaleissa. Table 1. Statistics of the arsenic concentrations in soils in Finland. Arseeni mg/kg Arsenic mg/kg Näytemateriaali Lukumäärä Minimi Mediaani Keskiarvo 95 % Maksimi Sample type Number Minimum Median Mean Maximum Moreeni Till 1057 < 0,2 2,57 3,59 11,5 44,0 Pelto 0 25 cm Agricultural soil 136 < 0,2 1,24 2,13 8,50 13,4 Pelto cm Agricultural soil 138 < 0,2 1,28 2,12 8,16 12,0 pohjamoreeninäytettä. Kokonaispitoisuutta arvioitiin kuningasvesiuutolla ja kasvien käytössä olevaa osuutta ammoniumasetaatti EDTA-uutolla. Kokonaispitoisuus oli keskimäärin alle 2 mg/kg, kun taas kasvien käytössä oleva osuus oli vain 0,05mg/ kg. Suurin kasvien käytössä oleva arseenipitoisuus pohjamoreenissa oli 2,95 mg/kg, mikä on selvästi vähemmän kuin Suomessa usein noudatettu SAM- ASE-projektin esittämä ohjearvo 10 mg/kg (Jeltsch & Pyy 1994). Tarvainen ja Savolainen (2001) arvioivat arseenin rapautumisnopeutta Etelä-Suomen moreenimailla. Arseenin rapautumisnopeudella tarkoitetaan tässä sitä arseenin määrää, joka irtoaa mineraalimaasta maaperän yläosan arseenipitoisten mineraalien rapautuessa. Emäskationien (Ca, Mg, K, Na) rapautumisnopeuteen ja pohjamoreenin arseenipitoisuuteen perustuva matemaattinen malli antoi suurimmat arseenin rapautumisnopeudet Tampereen, Pirkanmaan ja Hämeen vyöhykkeille. Arseenia on poistunut moreenista mannerjäätikön sulamisen jälkeen keskimäärin 0,4 mg neliömetriltä vuodessa. Tampereen vyöhykkeen suurimmat rapautumisnopeudet olivat yli 0,8 mg neliömetriltä vuodessa. Porvoonjoen valuma-alueella keskimääräinen arseenin rapautumisnopeus on Tarvaisen ja Savolaisen (2001) mallin mukaan vuodessa 0,3 mg/m 2. Jos koko valuma-alueen maalaji olisi moreenia, tältä 1273 km 2 :n laajuiselta valuma-alueelta irtoaisi rapautumisen seurauksena joka vuosi 382 kg arseenia. Vuonna 1990 mitattiin Porvoonjoen arseenikuormaksi noin 990 kg (Kuula 1995), josta moreenin rapautuminen selittää 40 %. Porvoonjoen valuma-alueesta suuri osa on savea, jonka hivenainepitoisuudet ovat yleensä suuremmat kuin moreenissa (Salminen et al.1997). Arseenia kulkeutuu joessa paitsi liuenneessa muodossa myös liettyneeseen savimineraaliainekseen sitoutuneena. Luonnollisen, mineraalimaan rapautumisesta peräisin olevan arseenin lisäksi osa Porvoonjoen arseenikuormasta lienee peräisin ihmisen toiminnasta. Lajittuneet ja orgaaniset maalajit Geologian tutkimuskeskuksen valtakunnalliset kartoitukset ovat perustuneet moreeninäytteisiin, koska moreeni on maamme yleisin maalaji ja näytteitä on voitu kerätä lähes kaikkialta säännöllisellä pisteverkolla. Arseenin ja useiden muiden hivenalkuaineiden pitoisuudet ovat yleensä suurempia hienorakeisissa savi- ja silttimaalajeissa kuin moreenissa (Salminen et al.1997, Tarvainen & Kuusisto 1999). Karkearakeisten, lajittuneiden maalajien ja orgaanisten maalajien arseenipitoisuudet ovat usein pienempiä kuin moreenin hienoaineksen pitoisuudet. Hienorakeisten maiden peltomaista on systemaattista kartoitustietoa eniten. Pintamaan ja erityisesti humuskerroksen arseenipitoisuuksiin vaikuttaa alla olevan kallioperän lisäksi ihmisen toiminta. Kivihiilen ja öljyn poltosta joutuu ilmakehään arseenia, ja se päätyy laskeuman mukana pintamaahan. Kaukokulkeutunut arseeni voi olla peräisin myös kaivostoiminnan, malmin rikastuksen ja metalliteollisuuden päästöistä. Arseenia voi joutua maaperään myös puunkyllästysaineista, maalipigmenteistä, kasvi- ja hyönteismyrkyistä sekä fosforilannoitteista (Lahermo et al. 1996). 47

4 Pintamaa Topsoil Pohjamaa Subsoil Kuva 2a. Arseenipitoisuus peltomaan pintaosassa (0 25 cm). Figure 2a. Distribution of arsenic concentrations in agricultural topsoils (0 25 cm). Kuva 2b. Arseenipitoisuus peltomaan pohjaosassa (50 75 cm). Figure 2b. Distribution of arsenic concentrations in agricultural subsoils (50 75 cm). Peltomaat Itämeren maiden geokemiallisen kartoituksen (Baltic Soil Survey-hanke) yhteydessä kerättiin Suomesta pinta- ja pohjamaanäytteet 135 pellolta (Reimann et al. 2000). Näytteenottotiheys oli harvempi kuin aikaisemmassa moreenikartoituksessa. Kartalta valittiin 50 km x 50 km:n laajuisen ruudun keskeltä yksi pelto näytteenottoa varten. Pintamaasta kerättiin näyte muokkauskerroksesta 0 25 cm:n syvyydeltä ja pohjamaasta cm:n syvyydeltä. Näytteet yhdistettiin kentällä viidestä osanäytteestä. Pelloilta kerätyt näytteet kuivattiin ja niistä seulottiin analysoitavaksi alle 2 mm raekoko. Näytteet liuotettiin kuumalla kuningasvedellä ja arseenipitoisuus määritettiin grafiittiuuni-aasmenetelmällä (Tarvainen & Kuusisto 1999). Pintamaanäytteiden arseenipitoisuuden mediaani oli 1,24 mg/kg ja pohjamaanäytteiden 1,30 mg/kg. Suurimmat pitoisuudet havaittiin Lounais-Suomen ja Keski-Lapin pelloilla (kuva 2). Vaikka kuningasvesiliuotus ei anna arseenin kokonaispitoisuutta, käytetty analyysimenetelmä yliarvioi huomattavasti kasvien käytössä olevaa arseenipitoisuutta. Tarvaisen ja Kallion (1999) mukaan moreeninäytteissä alle 3 % kuningasvesiliukoisesta arseenista oli kasveille käyttökelpoisessa muodossa. Sekä pinta- että pohjamaanäytteissä suurimmat arseenipitoisuudet mitattiin hienojakoisilta savi- ja silttimailta. Arseenin mediaanipitoisuus oli pintamaassa 2,39 mg/kg ja pohjamaassa 2,33 mg/kg. Moreenimailla olevien peltojen As-pitoisuudet olivat hieman pienemmät: pintamaan As-pitoisuuden mediaani oli 2,04 mg/kg ja pohjamaassa 1,58 mg/ kg. Pienin keskimääräinen arseenipitoisuus oli karkearakeisten lajittuneiden maalajien pelloissa: pintamaassa 0,51 mg/kg ja pohjamaassa 0,60 mg/kg (Tarvainen & Kuusisto 1999). Useiden muidenkin hivenalkuaineiden pitoisuudet ovat suuremmat savesta ja siltistä koostuvilla pelloilla kuin moreenipelloilla. Orgaanisten peltomaiden mediaanipitoisuudet olivat sekä pinta- että pohjamaassa 0,80mg/ kg. Suomen peltomaiden arseenipitoisuus korreloi tilastollisesti erittäin merkitsevästi seuraavien alkuaineiden kanssa: Al, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sb, Ti, V ja Zn. 48

5 Arseeni maaperässä KIRJALLISUUS REFERENCES Jeltsch, U. & Pyy, O Maan saastuneisuuden arvioinnissa käytettävät ohje- ja raja-arvot. Sivut teoksessa Saastuneet maa-alueet ja niiden käsittely Suomessa. Saastuneiden maa-alueiden selvitys- ja kunnostusprojekti; loppuraportti. Ympäristöministeriö, Ympäristönsuojeluosasto. Muistio s. Koljonen, T Kartoituksen tulokset. Sivut teoksessa Suomen Geokemian Atlas. Osa 2. Moreeni. (toim. T. Koljonen). The Geochemical Atlas of Finland. Part 2. Till. Geologian tutkimuskeskus, Geological Survey of Finland. Espoo. 218 s. Koljonen, T., Gustavsson, N., Noras, P. & Tanskanen, H Näytteet, kemialliset analyysit ja tulosten käsittely. Sivut teoksessa Suomen Geokemian Atlas. Osa 2. Moreeni (toim. T. Koljonen). The Geochemical Atlas of Finland. Part 2. Till. Geologian tutkimuskeskus, Geological Survey of Finland. Espoo. 218 s. Kuula, M Raskasmetallien mobiloituminen Itämeren valuma-alueella Suomessa. Geologian tutkimuskeskus, arkistoitu raportti S/42/0000/1/ s, 2 liitettä. Lahermo, P., Väänänen, P., Tarvainen, T. & Salminen, R Suomen Geokemian Atlas. Osa 3. Ympäristögeokemia purovedet ja -sedimentit. Geochemical Atlas of Finland. Part 3. Environmental geochemistry stream waters and sediments. Geologian tutkimuskeskus, Geological Survey of Finland. Espoo. 149 s. Lahtinen, R. & Lestinen, P Background variation of ore-related elements and regional-scale mineralization indications in Palaeo-proterozoic bedrock in the Tampere Hämeenlinna area, southern Finland. Geological Survey of Finland, Bulletin p. Reimann, C., Siewers, U., Tarvainen, T., Bityukova, L., Eriksson, J., Gilucis, A., Gregorauskiene, V., Lukashev, V., Matinian, N.N. & Pasieczna, A Baltic Soil Survey: Total concentrations of major and selected trace elements in arable soils from ten countries around the Baltic Sea. The Science of the Total Environment 257 (2 3), Roman, S. & Peuraniemi, V The effect of bedrock, glacial deposits and a waste disposal site on groundwater quality in the Haukipudas area, Northern Finland. Sivut teoksessa J. Chilton (ed.) Groundwater in the Environment. Selected City Profiles. Rotterdam-Brookfield: A.A. Balkema. 342 p. Salminen, R., Kukkonen, M., Paukola, T. & Töllikkö, S Chemical composition of clays in Southwestern Finland. Sivut julkaisussa: Current Research (toim. S. Autio). Geologian tutkimuskeskus, Geological Survey of Finland. Special Paper p. Tarvainen, T. & Kallio, E Baselines of certain bioavailable and total heavy metal concentrations in Finland. Pages in Extended abstract (ed. by S. Kuusisto, S. Isoaho & J. Puhakka). Proceedings of the Fourth Finnish Conference of Environmental Sciences. Tampere, May 21 22, Water and Environmental Engineering. Report 9. Tampere University of Technology. 349 p. Tarvainen, T. & Kuusisto, E Baltic Soil Survey: Finnish results. Pages in Current Research (ed. by S. Autio). Geologian tutkimuskeskus, Geological Survey of Finland, Special Paper p. Tarvainen, T. & Savolainen, H Arseenin rapautumisnopeus Suomen metsämailla. English summary: The weathering rate of arsenic in Finnish till soils. Geologi 53 (6), Tarvainen, T. & Kallio, E Baselines of certain bioavailable and total heavy metal concentrations in Finland. Applied Geochemistry 17,