Markgeokemi

Markmineral ger "fingeravtryck"

Kisel, aluminium och järn är exempel på grundämnen som förekommer rikligt i så gott som alla jordar och bergarter. Dessa ämnen, eller element, kallas därför ofta för huvudelement. Spårämnena finns däremot ofta i betydligt lägre halter – till skillnad från huvudelementen som mäts i procent mäts dessa i milligram eller t.o.m. i mikrogram per kilo. Exempel på spårämnen är arsenik, koppar, nickel och guld.

Kemiska analyser av moränen kan liknas vid fingeravtryck, som ger oss svar på vilka bergartstyper och vilka mineral som präglar moränen i en region.

Markgeokemisk status

Vår närmiljö, framför allt markens bördighet och grundvattnets sammansättning, beror i stor utsträckning på de kemiska egenskaperna hos markens beståndsdelar, dvs. dess geokemi.

En viktig beståndsdel är mineral, som kommer från olika bergarter. Olika mineral kan ha ungefär samma uppsättning grundämnen, men har ändå olika egenskaper bland annat beroende på hur hårt bundna grundämnena är i ett så kallat kristallgitter.

Mineral från kalkstenar och grönstenar vittrar relativt lätt och frigör ämnen som är löst bundna. De är gynnsamma för markens bördighet och dessutom för dess förmåga att neutralisera sur nederbörd. Där moränen innehåller lättvittrade mineral, är innehållet av bland annat magnesium, järn, krom och kobolt ofta högt, och även pH-värdena är ganska höga.

Motsatsen hittar vi i moränområden som domineras av bergarter som sura graniter och porfyrer. Kännetecknande för sådana områden är det relativt höga innehållet av hårt bundet kalium, natrium, bly och till exempel volfram.

Olika analyser ger olika svar

Kemiska analyser som visar det totala innehållet av olika grundämnen i morän avslöjar bara till en viss del hur hårt ämnena är bundna. Genom att i laboratorium lösa ut de ämnen som inte så hårt bundna med hjälp av syra, påskyndas vittringsprocessen och man kan få en bättre uppfattning om i vilka jordar olika ämnen lättast frigörs.

Genom att kombinera information från en karta över ett ämnes totala spridningsbild med hur mycket det löser ut i syra, kan man göra bedömningar om presumtiva bristområden för växtnäringsämnen. Man kan också bedöma var det finns risk för till exempel aluminiumutlakning.

Att ta jämförbara prover

Innehållet av grundämnen i en markprofil varierar från markytan och nedåt. Flera av de ämnen som lakats ut förekommer i lägre halter i de övre markskikten än i det opåverkade skiktet längre ned (C-horisonten). Andra utlakade ämnen har fällts ut i det relativt ytliga rostjordsskiktet och halterna är här mycket högre än längre ned i marken.

Det är därför viktigt att en markgeokemisk karta är uppbyggd på analyser av jämförbara prover från C-horisonten. I och med att sådana prover inte är påverkade av biologiska processer eller av mänsklig aktivitet, har tungmetaller och näringsämnen där i stort sett bara geologiskt ursprung.

pH i morän

Surhetsgraden i morän anges som pH mätt på torr jord uppslammad i destillerat vatten. pH-skalan är logaritmisk. Det innebär att ett område som har en pH-enhet lägre värde än ett annat område är 10 gånger så surt. Två pH-enheter lägre medför att området är 100 gånger surare osv. 

Balansen rubbas…

De kemiska och biologiska processer som pågår i de övre markskikten, har avklingat längre ner i markprofilen. Marken befinner sig i jämvikt och någon större naturlig påverkan förekommer inte. Vittring av markmineralen har i årtusenden frigjort ämnen som kalcium och magnesium, hållit aluminium bundet och skapat jämvikt mellan tillförda och bortförda nyttiga ämnen. Ekosystemet har anpassat sig och grundvattnet kan ha en stabil kemisk sammansättning.

Vi människor påverkar dock ständigt ekosystemen. Genom förändrad markanvändning, kalhuggning och skogsdikning påverkas markprocesserna. Den allt surare nederbörden förändrar den kemiska sammansättningen.

... och markens buffrande förmåga räcker inte alltid till

Olika kemiska processer i marken neutraliserar – buffrar – det nedträngande sura vattnet mer eller mindre effektivt. Detta kallas buffringssystem. Markens mineralsammansättning avgör om och hur olika buffringssystem kan neutralisera vattnet och vilka effekterna blir. Den markgeokemiska statusen avslöjar därför hur stora förändringar ekosystemet tål.

Höga pH-värden i marken visar oftast att kalk är närvarande. Surt vatten neutraliseras mycket snabbt i ett sådant karbonatbuffringssystem, så snabbt att det knappast hinner ske någon påverkan på marken.

När kalk saknas och pH-värdena ligger mellan ungefär 6,2 och ner till 4,5 sker buffringen genom att markmineralen binder de sura vätejonerna till sig och i stället frigör baskatjoner, som är nyttiga för växterna. På så sätt ökar flödet av kalcium, magnesium och kalium till yt- och grundvattnet.

pH-värden lägre än ca 4,5 avslöjar att markens förråd av lättutlakade baskatjoner för tillfället är slut. Vittringen hinner inte med att frigöra ämnen i den takt de förbrukas. Surt vatten neutraliseras relativt snabbt ändå, genom att olika aluminiumföreningar löser upp sig och vätejonerna tas om hand. Vid denna process frigörs dock aluminium som transporteras bort och så småningom når grundvattnet.

Metallerna rör sig

Den pH-sänkning som orsakar markförsurning påverkar också de olika metallernas rörlighet. Rörligheten ökar till exempel för aluminium, kadmium, bly, koppar, kobolt, mangan och zink, medan bland annat fosfor och molybden binds hårdare i marken. I samband med lågt pH kan därför metaller som vi vanligtvis känner som livsnödvändiga spårämnen, frigöras ur marken, transporteras bort och ibland plötsligt uppträda i hälsovådliga halter i grundvattnet och därmed i vårt dricksvatten. Andra faktorer som påverkar metallernas är tillgång på syre.

Det finns nyttiga ämnen...

I regioner med god geokemisk status innehåller mineraljorden höga halter näringsämnen, framför allt fosfor, kalcium och magnesium, som på lång sikt är tillgängliga för växtligheten. Grundvattnet kan också ha en gynnsam sammansättning utan skadliga tungmetaller.

… och mindre nyttiga ämnen

I marker med sämre geokemisk status är näringsämnena hårt bundna och den naturliga vittringen som frigör ämnena är långsam. Om också pH är så lågt att aluminiumbuffring sker, utgör marken en presumtiv tungmetalläcka. I sur miljö bildas också svårlösliga fosforföreningar som växterna inte kan tillgodogöra sig. Vid avverkning på sådan mark är det därför viktigt att lämna kvar kvistar, grenar, barr och lövsly så att nyttiga ämnen i dessa återförs till jorden. Det kan också vara nödvändigt att tillföra lämpliga gödselmedel om den reserv av ämnen som finns i marken är liten.

Många ämnen kan vara skadliga om växter och djur utsätts för dessa i fel form och för höga halter. Aluminium är ett ämne som förekommer i riklig mängd i naturen – såväl i bergarter som i morän – där det vanligen är starkt bundet i olika föreningar. Men om aluminium inte är så hårt bundet och pH-värdet samtidigt är lågt, kommer surt nedträngande markvatten att neutraliseras genom att aluminium frigörs vid buffringen och kommer ut i vattensystemen. Aluminium är, så vitt man vet, inte nödvändigt för den biologiska omsättningen, utan har i stället uppmärksammats för att orsaka skador på människor, djur och växtlighet.

Beryllium är ett ämne som finns naturligt, bland annat i fältspatmineral, och som därför oavsiktligt sprids vid brytning av fältspat. Man känner inte till att beryllium har några nyttiga effekter, däremot att det påverkar vissa enzymer negativt och ger skador på de flesta organ i människokroppen. Ämnet tas lätt upp av växter och är därigenom mycket giftigt för såväl växter som människor och djur.

Arsenik är ett annat ämne som vi bara känner som starkt giftigt. Det förekommer i olika bergarter och i sulfidmineral, ibland tillsammans med kobolt, koppar och guld. Det är under vissa förhållanden lättlösligt och kan då transporteras med markvattnet.

I jakten på malm

I sökandet efter nya mineraliseringar, till exempel guld som kan leda till gruvverksamhet, kan kartor över metallernas spridning i moränen visa vägen. Ofta används geofysiska mätningar, berggrundskartor och jordartsgeologisk information tillsammans med geokemi för att nå bästa möjliga resultat. Landisen var den stora hyvel som bröt loss fragment från en mineralisering, transporterade och spred ut dem i samma riktning som isen rörde sig. När isen smälte undan lämnade den kvar ett täcke av morän över bergytan. Morän består av bergartsfragment som isen plockat upp under sin rörelse och kan ha inslag av fragment från mineraliserad berggrund. Moränen kan på så sätt ha fått ett onormalt stort innehåll av metaller. I sökandet efter malm ger en sådan anomal region anledning till noggrannare undersökningar.