Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Klimatstyrda sulfidoxidationer som orsak till surhet och höga metallhalter i vattendrag i norra Sverige
2009 (Swedish)Report (Other academic)Alternative title
Climate-induced sulphide oxidations cause acidity and high concentrations of metals in watercourses in northern Sweden (English)
Abstract [en]

This study about existence, causes and effects of oxidations in sulphide-bearing sediments in the coastland of northen Sweden is based upon an unique waterchemical sample program during 1990-2007 including the following parameters: pH, alkalinity, colournumber (mg Pt/l), COD (Chemical Oxygen Demand), sulphate, totalphosphorus, totalnitrogen and conductivity. For the years 2003-2007 the program was supplemented with metals. This investigation focus on the waterchemistry in surface water in lakes, watercourses and estuaries. The main objectives of this study is to give valuable contribution to the answers of the following research questions: What characterize the total waterchemistry in surface water where sulphide oxidations occur in the catchment areas?What conditions are responsible for and determine the large waterchemical variation in the watercourses? What conditions regulate the episodes of accidification?What period in summer show the most pronounced impact from sulphide oxidation on surface water chemistry?What chemical reactions and mechanisms are responsible for the changing waterquality connected with episodes of acidification?How large are the conribution from sulphide oxidation to acidity and high metal concentrations in watercourses relatively other potential sources?In what amounts are metals transported out in the estuaries in the Bothnian Bay from small coastal watercourses compared to big mountain rivers?Have the metals different distrubution patterns in the estuary?What is the environmental and ecotoxicological effects of suldphide oxidations in coastal areas of the Bothnian Bay nowadays and in the future?What consequences have the existence of sulphide oxidations for environmental monitoring and management and for the implementation of the EU Water Frame Work Directive?Results and conclusions from the investigations can be summarized:(1) An extreme waterchemical variation occur in the watercourses within and between years, The existence of sulphide oxidations in the catchment areas are responsible for the extreme variation.(2) The climate in the investigation areas with its over time variable precipitiation causes large variations in the groundwater table which have an impact on and regulate the size of oxidations occuring in the catchments sulphide-bearing sediments and this in turn produces a large waterchemical variation in the watercourses (= ”Climate-induced sulphide oxidations”)(3) Episodes, with a total and radical change of the waterchemistry, occur in the watercourses as a result of climate-induced sulphide oxidations. This ”waterchemical reversal” is distinguished by the fact that previous high values for the parameters (group A:) pH, alkalinity, COD, colour, P, Fe and Cr will decrease considerable simultaneously as the concentrations for the parameters (group B:) sulphate, conductivity, Al, Cd, Co, Mn, Ni and Zn make a pronounced increase. All the results throughout this study show positive correlations between parameters in the same group (A or B) and negative correlations between the groups. During 1990-2007 there were at least three large climate-induced episodes of acidification with the waterchemical reversal here described.(4) Despite the huge waterchemical differens between identified episodes and more regular interepisodes, the relatively high concentration of metals and sulphur during the interepisodes confirms that oxidations in the catchments sulphide sediments constantly have an impact more or less on the waterquality of the surface water.(5) The size of sulphide oxidations in the catchment during different years are in the studied watercourse waterchemically more pronounced in june compared to maj or july. An explanation for those circumstances is presented.(6) Sulphide oxidations are the main cause to acidity and high metal concentrations in the investigated watercourses. The contribution to the pH-decline from factors such as increase in natural organic (humic) acidity or antropogenic acid deposition are of minor significance.(7) The total metal transport from Persöfjärden is of the same magnitude (Ni, Zn) or exceeds that in Kalix River (Al, Co, Mn) with a catchment approximately 100 times larger. The results from the studied watercourses indicate that the large number of small catchments i coastal areas in nothen Sweden could be a significant an so far unknown metal source for the Bothnian bay/Baltic Sea.(8) A metal-retention study shows that the metals transported in a stream have different distribution pattern in the estuary. The estuary acts like a significant trap for Al and Fe and like a source for Mn. For Co, Cd, Ni and Zn have more or less the same amounts that entered the estuary passed it. Mechanisms for the metals deposition to and leakage from the sediments are discussed.(9) To explain the chemical reactions and mechanisms responsible for the ”waterchemical reversal” with a significant decline of humic substances some hypothetical explanations are presented where Fe and Al are playing an important role in the flocculation of organic substances. The hypothesis support the consistently results that Fe have a high positive correlation and Al a negative correlation with organic substances (COD/ colour).(10) The significant positive correlations between phosphorous and COD/colour respectively iron indicate that the large decline in the concentrations of phosphorous during the episodes is due to the fact that phosphotous is removed from the water together with (1) flocculated organic substances and/or (2) precipitated iron.(11) Some observed ecotoxicological effects of the climate-induced sulphide oxidations are death of fish, increased distribution of some macrophytes, temporary dissappearance of some ”sea-birds” and absence of algae-blooming 1990-2007.(12) The unexpected high concentrations of cadmium found in liver from fish in the Bothnian Bay and the large variation between years could be the the result of the variable outflush of cadmium that natural climate-induced sulphide oxidations produce in coastal watercourses in northen Sweden and Finland.(13) The occurence of climate-induced sulphide oxidations have a radical impact on the waterchemical and biological parameters that are measured by routine in environmental monitoring. For that reason, for one thing to make it possible to discriminate antropogenic sources of acidity and high metal concentrations from natural sulphide oxidations, it is necessary to put specially demand for the design and interpretation of monitoring programs in sulphide-bearing ares. The climate induced sulphide oxidations have a significant impact on seven of Swedens 16 Environmental Objectives.

Abstract [sv]

Kunskapen om och i vilken utsträckning sulfidoxidationer äger rum i norra Norrlands kustland är låg. Det finns inga studier som visar de vattenkemiska förändringar med avseende på normalparametrar och metaller som vattendrag och sjöar genomgår som ett resultat av sulfidoxidationer. Denna undersökning om förekomst, orsaker och effekter av oxidationer i sulfidrika sediment i Norrbottens kustland vilar på ett unikt vattenkemiskt provtagningsprogram omfattande 8 normalparametrar (pH, alkalinitet, färgtal, COD, sulfat, totalfosfor, totalkväve och konduktivitet) under åren 1990-2007 kompletterat med metaller under 2003-2007. Rapportens huvudsakliga syften är att öka kunskaperna om sulfidoxidationer genom att lämna värdefulla bidrag till svaren på följande forskningsfrågor:· Vad karakteriserar den totala vattenkemin (normalparametrar och metaller) i vattendrag som avvattnar områden där sulfidoxidationer äger rum?· Vilka förhållanden styr den stora vattenkemiska variationen i vattendragen? Vad är orsaken till försurningsepisoder?· Under vilken tid på sommaren kan graden av sulfidoxidationer i avrinningsområdet bäst avläsas vattenkemiskt i vattendragen?· Vilka kemiska mekanismer ligger bakom den förändrade vattenkemin med bland annat ett klarare vatten i samband med sulfidoxidationsepisoder?· Hur stort är sulfidoxidationernas bidrag till surhet och höga metallhalter i vattendragen relativt andra potentiella källor?· Hur stora mängder metaller (i ton) transporteras ut i Bottenvikens fjärdar från små kustnära vattendrag jämfört med stora fjällälvar? · Var tar de uttransporterade metallerna vägen när de når fjärden? Hur ser transportmönstret ut för olika metaller?· Vilka ekotoxikologiska effekter har sulfidoxidationer i norra Norrlands kustland? Har den pågående landhöjningen och förekomsten av sulfidoxidationer några framtida ekotoxikologiska effekter?· Vilka konsekvenser har förekomsten av sulfidoxidationer för miljöövervakning, recipientkontroll och arbetet med EU:s vattendirektiv?Resultat och slutsatser från undersökningen kan sammanfattas:En stor vattenkemisk variation uppträder i vattendragen mellan och inom år, där existensen av sulfidoxidationer i avrinningsområdet är orsaken till den stora vattenkemiska variationen.Undersökningsområdets klimat är, med sin över tiden oregelbundna variation i nederbördsmängder, ansvarig för grundvattennivåns fluktuationer och därmed för graden av sulfidoxidationer som kan äga rum i avrinningsområdets sulfidbärande marklager vilket i sin tur orsakar en stor vattenkemisk variation i vattendragen (”klimatsyrda sulfidoxidationer”).I de avrinnande vattendragen uppträder som ett resultat av de klimatstyrda sulfidoxidationerna episoder med en total och genomgripande förändring av vattenkemin. Detta ”vattenkemiska omslag” kännetecknas av att tidigare höga värden för parametergruppen (A) pH, alkalinitet, färgtal, COD, fosfor, järn och krom sjunker dramatiskt samtidigt som halterna för parametergruppen (B) sulfat, konduktivitet, aluminium, kadmium, kobolt, mangan, nickel och zink stiger markant. Genomgående visar alla resultat i hela undersökningen på en positiv samvariation mellan parametrarna inom samma grupp (A resp B) och en negativ samvariation för parametrar mellan grupperna. Under perioden 1990-2007 kan tre större sulfidoxidationsepisoder urskiljas som kännetecknas av mycket klart vatten och med ovan beskrivna vattenkemiska förändringTrots den stora skillnaden i vattenkemi mellan identifierade episoder och tiden däremellan (interepisoder) visar de relativt höga grundhalterna av vissa metaller under interepisoderna att avrinnande ytvatten ständigt är mer eller mindre påverkat av avrinningsområdets sulfidleror och oxidationer i dessa.Graden av sulfidoxidationer i avrinningsområdet under olika år visar sig vattenkemiskt tydligare i juni jämfört med maj eller juli. En förklaringsmodell för orsakerna till detta presenteras. Sulfidoxidationer är den huvudsakliga orsaken till låga pH och höga metallhalter i de undersökta vattendragen. Bidragen från naturligt förekommande organiska syror (humusämnen) eller från luftdeponerade försurande föroreningar är endast marginella. Den totala metalltransporten från Persöfjärden kan under ett år överstiga eller vara i nivå med hela Kalix älv med ett ca 100 gånger större årsflöde. Metalltransporten från Holmsundet och Persöfjärden indikerar att det stora antalet små och kustnära avrinningsområden i norra Sverige kan utgöra en betydande men hittills okänd källa för metaller till Bottenviken och Östersjön.En metallretentionsstudie visar att de metaller som frigörs i samband med sulfidoxidationer och strömmar ut i en studerad fjärd transporteras olika långt. Fjärden fungerar som en tydlig fälla för Al och Fe. Metallerna Co, Ni, Cd och Zn transporteras i stor utsträckning vidare genom fjärden. För Mn fungerar fjärden som en källa det vill säga mer Mn lämnar fjärden än vad som kommer in. Kemiska mekanismer för sedimentation, fastläggning och läckage av de olika metallerna relaterat till fjärdens nuvarande successionstadie med avseende på landhöjningen behandlas.De kemiska mekanismer som orsakar det vattenkvalitativa omslaget vid episoderna behandlas. Utklarningen av vattnet (sjunkande värden för färgtal och COD) är ett uttryck för att organiskt material (humusämnen) i kollodial form genom flockningsreaktioner blir mindre lösligt och sedimenterar. Flera olika hypoteser för hur utflockningen går till, där Al och Fe sannolikt spelar en huvudroll, framläggs. Hypoteserna överensstämmer med resultaten att järn genomgående uppvisar en mycket hög positiv korrelation med färgtal/COD samtidigt som aluminium har en negativ korrelation med färgtal/COD.De genomgående mycket höga positiva korrelationerna mellan fosfor och färgtal/COD respektive järn tyder på att de kraftigt sjunkande fosforhalterna vid episoderna beror på att fosfor har lämnat vattenmassan med utflockande organiskt material och/eller medfällts med järn.Några observerade effekter som mycket sannolikt är ett resultat av sulfidoxidations-episoderna är (1) fiskdöd, mest sannolikt orskade av de höga aluminiumhalterna kombinerat med ett lågt pH och ett klart vatten fritt från organiskt material, (2) ökad utbredning och numerär av vissa arter av vattenväxter (makrofyter), (3) minskat antal av vissa arter sjöfåglar och (4) frånvaro av störande algutvecklingar 1990-2007.En förklaringsmodell presenteras där klimatstyrda sulfidoxidationer görs ansvarig för de fortsatt höga halterna av kadmium i lever från fisk i Bottenviken. Den stora spridning och mellanårsvariation som kadmiumhalterna i fisk uppvisat under åren kan vara ett resultat av den stora mellanårsvariation i uttransporterat kadmium som de klimatstyrda sulfidoxidationerna skapar i kustnära vattendrag i norra Sverige och Finland.Närvaron av klimatstyrda sulfidoxidationer påverkar på ett genomgripande sätt huvuddelen av de vattenkemiska och biologiska parametrar och områden som rutinmässigt mäts vid miljöövervakning och recipientkontroll. För att i sulfidjordsland kunna särskilja antropogena metall- och/eller försurande utsläpp från de som naturliga sulfidoxidationer kan åstadkomma ställs det speciella krav på utformningen och tolkningen av vattenkemiska kontrollprogram. De klimatstyrda sulfidoxidationerna har en tydlig påverkan på sju av Sveriges 16 nationella miljömål.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2009. , 72 p.
Series
Research report / Luleå University of Technology, ISSN 1402-1528
Keyword [en]
Natural sciences - Earth sciences
Keyword [sv]
Naturvetenskap - Geovetenskap
National Category
Geochemistry
Research subject
Applied Geology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-22383Local ID: 2aa794e0-1221-11de-9768-000ea68e967bISBN: 978-91-86233-24-2 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-22383DiVA: diva2:995432
Note
Godkänd; 2009; 20090316 (erixon)Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(11096 kB)38 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 11096 kBChecksum SHA-512
d3c4b16e192b5fdd697dae5b5c06c0d38e8570ff9ddb9ac14ce9dc93aba06cba4edfe11aaf99b4273631dd89db1a944707ef890044f1fcbe17a2c21fa5e081fb
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Erixon, Peter
Geochemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 38 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 85 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf