Browsing by study line "Hydrogeology and Environmental Geology"

Arsenic (As) is a metalloid naturally present in the environment. Arsenic species vary in toxicity. Metal mining has contributed to the anthropogenic input of arsenic to groundwaters and surface waters. In this study, water samples were collected from 20 sample points in three mining-impacted study areas in Finland: the former Ylöjärvi Cu–W–As and Haveri Au–Cu mines, and the active Pyhäsalmi Zn–Cu mine. Six groundwater well samples, eleven surface water samples and three tailings seepage collection ditch samples were analyzed for dissolved arsenic speciation by HPLC-ICP-MS and for geochemical composition by ICP-MS, titration, and ion chromatography. Dissolved arsenic concentrations ranged from 14.2 to 6649 µg L-1 in samples collected at the Ylöjärvi study area, from 0.5 to 6.2 µg L-1 in samples collected at the Haveri study area, and from 0.2 to 9.4 µg L-1 in samples collected at the Pyhäsalmi study area. In all study areas, measured dissolved arsenic concentrations showed a general decrease from the tailings to the surroundings. Speciation analysis showed that two of the samples collected at the Ylöjärvi study area had arsenite [As(III)] as the dominant form of dissolved inorganic arsenic (iAs), three had arsenate [As(V)] as the dominant form of dissolved iAs, and four had a mixture of both. In the water samples collected at the Haveri and Pyhäsalmi study areas, all concentrations of dissolved arsenic species were below method detection limits. Also, none of the 22 water samples analyzed for arsenic speciation had dissolved MMA or DMA concentrations above method detection limits. Identification of dissolved arsenic species in the sampled waters in Haveri and Pyhäsalmi, and of MMA and DMA in all sampled waters requires more detailed study. A significant 2-tailed Pearson correlation between dissolved arsenic and dissolved molybdenum (Mo) (r=0.80**, n=20), and dissolved arsenic and dissolved potassium (K) (0.68**, n=19) suggests that in these three study areas the distributions of dissolved arsenic and Mo, as well as dissolved arsenic and K may be controlled by the same environmental variables. Anomalously high maximum concentrations of dissolved Al, Ca, Co, Cu, Fe, Ni, and SO4 were measured in surface water samples collected at the Ylöjärvi and Haveri study areas, and in a seepage collection ditch sample collected at the Pyhäsalmi study area.

The European Water Framework Directive aims at restoring all water bodies in good ecological conditions by the year 2023. For this aim, understanding the responses of these ecosystems to current and future pressures is a requisite. Lakes Hältingträsk and Storträsk are located in Östersundom, a latent developing suburban area in eastern Helsinki. Alterations to the catchment in Hältingträsk as a consequence of urbanization will likely change the conditions of the lake. Storträsk, part of Sipoonkorpi nature reserve is primarily influenced by recreational activities. Ecological status of both lakes is likely to alter under the ongoing urban development. For this reason, the reference conditions of Hältingträsk and the resilience of both lakes to human stressors must be assessed. A long term record from Hältingträsk, with special focus on the most recent section, as well as a short core from Storträsk targeting the most recent events, are analyzed for different palaeobiological and geochemical proxies. The sequence from Hältingträsk is evaluated with diatom assemblages, trace metal analyses, lithological description of sediments through loss-on-ignition and inferred chlorophyll a. For Storträsk, a high-resolution study of diatom communities and photosynthetic pigments is performed. Both sequences are framed with an age-depth model based on radiogenic dating techniques. In addition, the results are analyzed with statistical tools and fossil diatom data is used to reconstruct lake water pH. The results describe the evolution of Hältingträsk through the mid-Holocene until recent times; the diatom assemblages indicates the area was part of Ancylus Lake and, later of Litorina Sea, and that it was isolated from the Baltic Basin at 6500 cal BP. This is supported by the high concentrations of Fe and Mn, showing the presence of metallic nodules common in marine environments. The change in sediments and the predominance of fragilarioid diatoms, display the succession of the lake (from gloe to flada). Afterwards, the ontogeny of the lake and the development of surrounding peat bog can be tracked with changes in the diatom community and decrease in heavy metals concentrations. The reconstructed pH reveals that Hältingträsk is a naturally acidic lake. Furthermore, signals of agricultural activities and industrialization are recorded in the area, as well as their development, is recorded through shifts in the diatom community and the oscillation of trace metals of both local (Cu, Ni and V) and long (Pb, Zn and Cd) transport. Finally, climatic anomalies such as the Little Ice Age and current climate warming are imprinted in the diatom assemblages and the photosynthetic pigments. The high resolution of subsampling from Storträsk displayed little variation. The faint changes could be attributed to CaCO3 treatment, fish introduction or recent climate warming. However, discern the influence of each of these stressors was not possible.

A promising Cu-Ni-PGE containing sulphide ore deposit was discovered in 2009 by Anglo American and since the company has continued studies aiming towards utilisation of the deposit. The discovered deposit lies underneath a Natura 2000 protected mire complex, Viiankiaapa, in Sodankylä municipality in Finnish Lapland. The research and exploration activities in the area are performed with mitigation and preventing actions in order to minimize the deterioration impact to the delicate ecosystem. The more detailed understanding of the hydrogeochemistry of the mire environment in its current state can assist: in monitoring, mitigating and preventing of potential environmental effects due to future mining operations as well as planning the monitoring program. Hydrogeochemical studies, consisting of water and peat sampling at eight sampling points, were carried out along a 1.6 km long study line. Water samples were collected from the surface of the mire as well as within the peat layer and the bottom of the peat layer. Water samples were collected using a mini-piezometer. The analyses for the water samples involved: major components, trace elements and δ18O & δ2H. Groundwater influence in the different sampling points as well as different sections of the peat was investigated using the mentioned chemical and isotopic properties. Peat sampling focused on finding samples which would have different hydraulic properties in order to find the influence of peat in the hydrology in the mire. Hydraulic conductivity of peat samples was determined using rigid wall permeameter test setup. The chemical and physical methods were supplemented by a ground penetrating radar survey completed with 30 and 100 MHz antennas. Studies of peat showed that the hydraulic conductivity varies substantially even inside the rather small study area. Widely recognized correlation between hydraulic conductivity and depth was not observed statistically, but the sampling sites individually show a clear connection with depth and hydraulic conductivity. The influence of the hydraulic properties of peat on to the flow of water in the mire was observed to be significant. In cases where the hydraulic conductivity of peat was very low, water flow may be prevented altogether. This was confirmed with the use of chemical analyses. With higher hydraulic conductivity, groundwater influence was seen more or less throughout the peat profile.

Itämeren pohja on ollut vähähappinen tai kokonaan hapeton useita kertoja viimeisten 8000 vuoden aikana. Holoseenin lämpömaksimin aikana, Litorinameren suojaisessa mataloituvassa lahdessa nykyisen Kurikan alueelle on kerrostunut aikaresoluutioltaan poikkeuksellisen hienosyinen sedimenttisarja, joka kertoo pohjan happitilanteen muutoksista. Ajallisesti sedimenttisarja kattaa paikallisen deglasiaation, Ancylusjärvivaiheen ja Litorinameren kehityksen paikalliseen kuroutumiseen asti, ajoittuen jaksolle n. 10 800–4 500. Magneettiset mineraalit ovat herkkiä ympäristön prokseja ja niiden kerrostumisen jälkeiseen diageneesiin liittyy joko detritaalisten magneettisten mineraalien muuttuminen tai uusien magneettisten mineraalien syntyminen. Koska muutoksia tapahtuu sekä hapettavissa että pelkistävissä ympäristöissä, voidaan magneettisia mineraaleja käyttää tutkittaessa sedimenttien diageneettisiä prosesseja ja ympäristöjä. Esimerkiksi greigiitti on rautasulfidi, jonka esiintyminen indikoi hapetonta ympäristöä. Greigiittiä voi syntyä diageneesissa sulfaatin pelkistymisen tai metaanin anaerobisen hapettumisen seurauksena. Lisäksi magnetotaktiset bakteerit tuottavat greigiittiä magnetosomeihinsa. Ympäristömagneettiset ominaisuudet kertovat greigiitin synty-ympäristön redox-olosuhteista. Huhtikuussa 2019 kerätystä 40 metriä pitkästä sedimenttisarjasta määritettiin sedimentin litologia, magneettinen suskeptilibeetti, orgaanisen aineksen pitoisuus sekä raekoko. Tulosten perusteella sedimenttisarja jaettiin viiteen yksikköön (KY15-1–KY15-5). Yksiköistä KY15-2, KY15-3 ja KY15-4 selvitettiin ympäristömagneettiset ominaisuudet neljästä eri vyöhykkeestä. Suskeptibiliteettiaineiston toistotarkkuus varmennettiin korkeamman resoluution mittauksin ja ympäristömagneettisia tuloksia verrattiin suskeptibiliteettimittauksiin. Ympäristömagneettisten tulosten vertailu suskeptibliteetin arvoihin osoittaa, että suskeptibiliteettia voidaan käyttää ympäristömagneettisten ominaisuuksien rekonstruoimiseen Kurikan sedimenttisarjan sedimenttiyksiköissä, joissa sedimentaatio on verrattain tasaista eikä suuria raekokomuutoksia esiinny. Litorinamerivaiheen sedimentistä havaittiin single-domain (SD) kokoista (200-1000 nm) autigeenistä greigiittiä Kurikan sedimenttisarjassa ja ympäristömagneettiset tulokset indikoivat sen alkuperäksi sulfidista ympäristöä. Tutkimuskohteen sedimenttisarja eroaa muista Itämerestä tutkituista sedimenttisarjoista erityisesti Ancylusjärven sedimenttien ympäristömagneettisilta tuloksiltaan. Poiketen syvänteistä kerätyistä sedimenttisarjoista, ei Ancylusjärven savista tunnistettu greigiittiä, eikä sedimentissä nähty selviä sulfidikerroksia. Litologisten ja ympäristömagneettisten tulosten perusteella greigiitin (autigeeninen) syntymekanismi Kurikan sedimenttisarjassa on erilainen, kuin Itämeressä aiemmin havaitulla greigiittillä (magnetotaktisten bakteerien synnyttämä). Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että greigiitin syntytavat voivat olla jopa altaan samoissa sedimenteissä toisistaan poikkeavat, ja että sedimentaatioympäristö vaikuttaa vahvasti greigiitin syntymiseen ja sen säilymiseen sedimentissä. Suskeptibiliteetin perusteella hypoksia on ollut Litorinameren aikana mataloituvassa merenlahdessa yleistä, mutta ei jatkuvaa. Isomman mittakaavan trendit hapettomuuden vaihtelussa ovat olleet perenniaalisia oletetulla aikaresoluutiolla, mutta aineisto ei sulje pois hapettomuuden kausittaisuutta. Litorinameren ajalta voidaan erottaa ainakin kaksi pitempiaikaista, muutamia satoja vuosia jatkuvaa, hapetonta tai vähähappista kautta. Greigiitin määrä kuitenkin vaihtelee jaksojen aikana, heijastaen vaihtelua pohjaolosuhteissa. Hypoksisten kausien välillä (~6500–7000 cal BP) on viitteitä lyhytaikaisista hapellisista jaksoista. Kyseinen ajanjakso on yhdistetty kirjallisuudessa korkeampiin suolatasoihin Itämeren altaassa, suhteellisen merenpinnan korkeampiin tasoihin sekä hapellisten olosuhteiden yleistymiseen.

Pro gradu -tutkielma on osa Vantaanjoen ja Helsingin seudun vesiensuojeluyhdistys ry:n hanketta, jossa tutkitaan maanläjitystoiminnan tyypillisiä pinta- ja pohjavesivaikutuksia sekä havainnoidaan lohikalojen lisääntymisalueille tapahtuvia haittoja Vantaanjoen valuma-alueella. Maanläjitystoiminnan moninaisen luonteen vuoksi, toiminnan laajuudesta ja sen vaikutuksista ei ole olemassa luotettavaa tutkimuksiin perustuvaa tietoa. Tutkielmassa selvitettiin millaisia vaikutuksia pilaantumattomien ylijäämämaiden välivarastoinnilla ja läjityksellä on lähiympäristön pohja- ja pintaveden laatuun. Pilaantumattomien ylijäämämaiden osalta tutkimuksia tehtiin kolmessa eri kohteessa Vantaanjoen valuma-alueella. Tutkielma keskittyi valuma-alueella sijaitsevien ympäristöluvanvaraisten- ja muilla luvilla toimivien maanläjitysalueiden velvoitetarkkailutulosten kokoamiseen, tarkasteluun ja paikkatietoanalyysin kehittämiseen. Näiden kriteerien avulla voidaan arvioida läjitysalueiden vesille aiheuttamia riskejä. Tutkimukseen kuului lisäksi pohjaveden purkautumispaikkojen ja luonnonpurojen kartoitusta, vedenlaadun kenttämittauksia ja vesinäytteenottoa. Esiselvitysten perusteella odotettiin maanläjitysalueiden läheisyydessä olevissa pinta- ja pohjavesissä olevan tausta-arvoista kohonneita raskasmetalleja, talousveden laatuvaatimuksista poikkeavia pH-arvoja sekä sähkönjohtavuuden muutoksia. Tulosten perusteella pilaantumattomilla ylijäämämailla on lieviä haitallisia vaikutuksia niin pinta- ja kuin pohjaveden laadullisiin tekijöihin. Pinta- ja pohjavesissä todettiin alueittain kohonneita pitoisuuksia ja arvoja muun muassa sulfaatilla, sähkönjohtavuudella, liukoisessa muodossa raudalla, mangaanilla, uraanilla, rikillä sekä sinkillä. Tutkielman tulokset auttavat arvioimaan läjitysalueiden haitta-ainekuormituksia vesiympäristöön ja suunnittelemaan riskienhallintatoimenpiteitä kuormituksen rajoittamiseksi. Suppeita analyysipaketteja tulisi laajentaa raskasmetallien osalta, sillä vähäinen analyysivalikoima ei edusta kaikkia kohteita. Tavoitteena on ohjata maanläjitystoiminta sellaisille alueille, joilla vesiin kohdistuvat haitat voidaan hallita.

High amounts of H2 have been observed worldwide in deep bedrock aquifers. Sources and interaction processes of H2 within bedrock are poorly known so far, but recognizing those are important on order to identify risks related to various deep bedrock utilizing projects, such as repository of the nuclear waste. Aim of this study was to investigate if there is a correlation between H2 or fractionation factor α (H2O–H2) and the lithology of the host rock. In addition, several proposed low temperature H2 producing processes were reviewed via literature in order to investigate if α (H2O–H2) might help to identify the source of H2. In this study, H2 isotope data collected in previous studies in Finland from Pori, Pyhäsalmi, Juuka and Outokumpu deep bore holes representing various lithologies were used. In addition to α (H2O–H2), other parameters such as relative gas volumes, isotopic composition of water, temperature data, water pH, H2/He ratio of gasses were summarized. As part of the study, in the summer of 2019 new sampling was conducted in the Pinomäki borehole, in Pori by using tube sampling method and also field measurements were applied. Samples were later analyzed with ion chromatographic and spectrometric methods. In the results, isotope geochemical analyses were applied by using H2O–H2 system as a geothermometer. Results of the water analysis from Pori borehole were consistent with previous studies thus confirming two distinct water layers. Volume of H2 (0,4 %) differed considerably when compared with the previous study (28 %). Results of the isotopic composition of the hydrogen gas revealed extremely low values from -816 to -848 ‰ relative VSMOW which are among the most depleted δ2H-H2 values ever measured in the world. According to isotope analysis, in most of the boreholes in the study, except Outokumpu, H2 is not in equilibrium with groundwater when compared to in situ temperatures. α (H2O–H2) values were partially in similar range as fractionation related to some specific hydrogen forming processes, but there wasn’t a clear connection and values from different processes were overlapping each other. H2O–H2 system re-equilibrates relatively fast in a geologic timescale, which means that the possible isotopic fingerprint of H2 origin is lost. On the other hand, since H2 was clearly in a disequilibrium state, it might indicate the presence of possible active H2 forming processes. There wasn’t any clear correlation with host rock lithology and H2 concentration nor α (H2O–H2) either, except in Juuka, where lithology, α (H2O–H2), pH, and H2/He ratio summoned with high H2 volume (12,8 %) strongly indicates serpentinization as origin of H2. There are many challenges in the sampling of deep and narrow bore holes, especially related to the intention of preserving original conditions and also preventing gas contamination. In addition to further H2 sampling, recommendations for further studies include studying H2 producing reactors to investigate the effect of different H2 forming process to the isotope fractionation of H2.

The study area is Hyrylä groundwater area, located in southern Finland, in the city center of Tuusula. Hyrylä groundwater area is class 1 groundwater area, and it is classified as a chemical risk area. The Koskenmäki water pumping plant, owned by Keski-Uudenmaan Vesi Kuntayhtymä, is in the groundwater area, where on average 1000 m3 of water is pumped daily for domestic use. The groundwater area is situated in a southwest to northeast orientated esker which is a part of a bigger esker series starting from I-Salpausselkä in Hyvinkää. There is a big southwest to northeast orientated shear zone in the bedrock under the groundwater area where Lake Tuusulanjärvi and Tuusula-river follow the shear zone. The aim of this study was to research the interactions between river water and groundwater in the Hyrylä groundwater area and to get a better understanding of the geology of the area. Additionally, the movements of the groundwater were studied. Based on earlier studies the groundwater is discharging to the Tuusula-river near the Koskenmäki water pumping plant and the river water has been recharging to the groundwater. There are contaminated areas surrounding the old gas station in Hyrylä, where the soil and groundwater are contaminated with oil hydrocarbons, hence it was important to study where the water to Koskenmäki water pumping plant is coming from. Effects of the shear zone to the movements of the groundwater and to the amount of water available for pumping were also examined. The groundwater-river water interactions were studied with thermal methods and seepage meters. Isotopic and chemical tracers were analyzed from the water samples, which were collected from the groundwater observation wells, groundwater discharging to Tuusula-river and from the river water itself. A 3D geological structure model of the groundwater area was made based on earlier gravimetric measurements and drillhole data. The water table measurements from the observation wells were taken at the same time when the water samples were collected. Based on the 3D structure model a groundwater flow model was made to explain the movements of groundwater in Hyrylä. The geology of the groundwater area was examined with ground-penetrating radar, but the measurements were not successful and did not give any useful data for making the 3D model. The results of this study show that the groundwater is discharging to the Tuusula-river near the Koskenmäki water pumping plant. Based on the water analyses done, there was only one water sample with surface water mixed in it. 3D modeling gave a clear picture of the bedrock surface and cross-sections of the soil structure. According to the groundwater flow model, groundwater is flowing to the Koskenmäki water pumping plant from southeast. To the shear zone groundwater flows mostly from east and southeast. From the northwest part of the groundwater area the groundwater is flowing via northeast to the northern parts of the shear zone. The contaminated areas are not in the flow path to Koskenmäki water pumping plant. Based on the water analyses, groundwater discharging to the western parts of Tuusula-river is from a different source than the water discharging to the eastern parts of the river. In the shear zone the groundwater flow direction is to the south and the groundwater discharges to the river southwest of the Koskenmäki water pumping plant.

Espoossa Nuuksion kansallispuiston lähettyvillä sijaitsevan Suomen luontokeskus Haltian kävijämäärät ovat jatkuvasti nousseet sen avaamisesta lähtien. Nuuksion geologinen historia on todella mielenkiintoinen, ja sitä voisi tulevaisuudessa saada luontokeskuksen kävijöiden tietoisuuteen. Alueen geologista historiaa tutkitaan tässä tutkielmassa laajasta näkökulmasta ottaen huomioon erityisesti viime jääkauden loppuvaiheen vaikutus alueen maa- ja kallioperään sekä selvittämällä jääkauden jälkeisen maaperän, ilmaston ja kasvillisuuden kehitystä. Erityistä huomiota kiinnitetään alueelta löytyvään pieneen suohon, jonka kehitystä selvitettiin siitepölyanalyysin sekä raekoon ja orgaanisen aineksen määrän muutosten avulla. Suon keskeltä kairatusta profiilista tehtiin lisäksi kolme ajoitusta, jotta sen syvyysulottuvuus saatiin kiinnitettyä aikaan. Samalla saatiin ikä suoaltaan turpeen muodostumiselle. Uurrehavaintojen sekä rannansiirtymisen avulla pyritään selvittämään suoaltaan ja Haltian ympäristön kehitystä. Rannansiirtymisaineiston perusteella tuotettiin karttoja ja video, jotka havainnollistavat alueella vallinneen muinaisen Itämeren vaiheiden vaikutusta maisemankehitykseen. Uurteiden perusteella jäätikkö virtasi alueen yli ensin pohjoisluoteesta ja lopuksi luoteesta. Suoaltaan pohjalla tavataan karkeampaa materiaalia soraisesta diamiktonista karkeaan silttiin, joka viittaa Baltian jääjärven laskeneen äkillisesti valtamerenpinnan tasolle. Tuotetusta rannansiirtymiskäyrästä selviää, että tutkittava suo on kuroutunut Yoldiamerestä noin 11 400 vuotta sitten. Alueelta löytyvän muinaisrantakivikon alatason perusteella Ancylusjärvivaiheen maksimi sijaitsee Nuuksiossa korkeudella 65 m mpy. Suosta löytyneet siitepölyt kertovat alueella vallinneen aluksi metsätön ja avoin kasvillisuus, jossa vähitellen koivut lisääntyivät. Koivun ollessa valtapuulajina ei alueen ympäristö kuitenkaan ollut vielä täysin metsittynyt suuren ei-puumaisten maakasvien osuuden perusteella. Leppä yleistyi alueella 10 300–9 800 vuotta sitten. Lehmus saapui alueelle 8 500–8 300 vuotta sitten ilmaston lämmetessä. Ilmasto alkoi tästä hieman yli 2 000 vuotta myöhemmin kuitenkin vähitellen viilentyä, ja kuusi yleistyi alueella noin 5 100–4 600 vuotta sitten. Tällöin jalopuut väistyivät vähitellen kuusen tieltä. Metsä muuttui kuusen saapumisen myötä ensin havupuuvaltaiseksi ja lopulta nykyisenlaiseksi sekametsää muistuttavaksi metsäksi. Suoaltaan umpeenkasvu ja sitä kautta soistuminen alkoivat sen reunoilta, ja umpeenkasvu oli todennäköisesti pääosin pohjanmyötäistä. Suoaltaan keskiosat ovat soistuneet kokonaan viimeistään 3 300 vuotta sitten turpeen silmämääräisesti määritetyn alaosan ajoitusiän ollessa 3 375 ± 30 vuotta. Suon turve muuttui lopullisesti saravaltaisesta rahkavaltaiseksi aikaisintaan 2 250 vuotta sitten.