Geochemical baselines in the assessment of soil contamination in Finland

Abstract

This study provides an overview on the development of the guidelines and legislation related to soil contamination in Finland, with the main focus on geochemical baselines. The use of geochemical baseline surveys in the assessment soil contamination in Finland and in some other countries is briefly discussed and the current practices in Finland are presented. Finally, the geochemical baselines in the assessment of soil contamination in Finland are outlined with suggestions for further applications and recommendations for future research needs.

The growing demand to increase sustainable land management in urban areas has involved various applications of geochemical surveys. Soil contamination was acknowledged as a leading environmental problem in the industrialized countries in the 1980s. The Government of Finland highlighted the importance of studying the level of soil contamination in Finland in 1988. The practices and guidelines for the assessment of soil contamination have been further developed by the environmental authorities and other interest groups, and in 2007, a Government Decree on the Assessment of Soil Contamination and Remediation Needs (214/2007) was issued. According to the Government Decree (214/2007), the assessment of soil contamination shall be based on a site-specific estimate of the risks to human health and the environment. Three categories of soil screening values, the threshold value and the lower and the upper guideline value, are introduced in the Government Decree (214/2007). The threshold value is used as a trigger value, which if exceeded indicates the necessity for further investigations on potential contamination. The geochemical baseline concentration, however, is regarded as the assessment threshold in areas with a baseline concentration higher than the threshold value. The Government Decree (214/2007) refers both to the natural geological background concentrations of elements and the diffuse anthropogenic input with the term “geochemical baseline”. For estimating the regional or local baseline concentration the upper limit of geochemical baseline variation for potentially harmful elements can be used.

Today, geochemical background information is available from national and regional geochemical mapping surveys, as well as from targeted geochemical baseline surveys, from which geochemical baseline mapping of sub-urban and urban areas has had a special focus on environmental applications and land use planning. The geochemical baseline studies provide information on baseline concentrations for remediation projects, land extraction, land use planning and other urban functions. Furthermore, they provide information for mineral exploration, for studies on the baseline status of the environment, as well as for environment impact assessment. The baseline information can also be applied in multidisciplinary studies such as the protection of human health.

The main sample parent material used in the geochemical baseline studies is minerogenic soil. Both composite and single samples are used. Single samples are often used when the data are targeted for use in calculating statistics for different soil parent materials and land use patterns. The sampling depth in geochemical mapping is traditionally quite variable, but in urban geochemical baseline studies the main focus is on topsoil. In Finland, the guidelines are given for soil contamination analysis and they are also followed in geochemical baseline surveys. For determining the concentrations of inorganic elements, the samples are to be sieved to the <2 mm fraction following aqua regia extraction or strong nitric acid leach. Different gas chromatographic methods are recommended to be used to analyse organic compounds. For risk assessment purposes, as well as for tracing the origin of elevated concentrations, i.e. whether it is anthropogenic or geogenic, weaker extraction methods provide additional information to be applied in data analysis.

The utilization of geochemical baseline information is important when assessing the possible soil contamination and remediation needs. Regional variation due to differences in the geological environment can be high and should be taken into consideration in contamination as-sessment. Various sampling materials may reveal different geochemical baseline levels. Finnish legislation supports the use of geochemical baseline information, and the Finnish national geochemical baseline database (TAPIR) provides end-users with nationally comparable and scientifically sound geochemical baseline data that enhance the rationality and transparency of decision-making.

Geokemiallisten taustapitoisuuksien käyttö maaperän pilaantuneisuuden arvioinnissa Suomessa

Tässä esitetyssä tutkimuksessa kehitettiin maaperän taustapitoisuusselvityksiin liittyviä geokemiallisia tutkimusmenetelmiä sekä tehtiin vertailua eri tutkimusmenetelmin määritettyjen pitoisuustietojen välillä. Tutkimuksessa tarkasteltiin Suomessa käytettyjä geokemian tutkimus- ja analyysimenetelmiä ja niiden soveltamista taustapitoisuusselvityksiin sekä taajamien kaavoitusta tukeviin ja maaperän tilaa kuvaaviin geokemiallisiin ja ympäristögeologisiin tutkimuksiin. Vertailua tehtiin myös muualla maailmassa, etenkin Pohjoismaissa, tehtyihin alan tutkimuksiin ja käytäntöihin.

Kestävän maankäytön merkitys kaupunkialueilla on kasvanut kaupungistumisen myötä ja tarvitsee tuekseen myös erilaisia geokemiallisia tutkimuksia ja niiden sovelluksia. Maaperän pilaantuminen tunnistettiin yhdeksi merkittäväksi ympäristöongelmaksi teollisuusmaissa jo 1980-luvulla. Suomessa ympäristöhallinto toi vuonna 1988 esiin tarpeen kartoittaa maaperän pilaantumisen aste myös Suomessa. Vuonna 2007 Suomessa tuli voimaan valtioneuvoston asetus maaperän pilaantuneisuuden ja puhdistustarpeen arvioinnista (214/2007). Tämän nk. PIMA-asetuksen mukaan maaperän pilaantuneisuuden ja puhdistustarpeen harkinnan tulee perustua arvioon maaperässä olevien haitallisten aineiden aiheuttamasta vaarasta tai haitasta terveydelle ja ympäristölle. PIMA-asetuksessa (214/2007) esitetään maaperän pilaantuneisuuden arvioinnille kolme arvoa: kynnysarvo sekä alempi ja ylempi ohjearvo. Asetuksen mukaan maaperän pilaantuneisuus ja puhdistustarve on arvioitava, jos yhden tai useamman haitallisen aineen pitoisuus maaperässä ylittää kynnysarvon. Toisaalta sellaisilla alueilla, joilla taustapitoisuus on kynnysarvoa korkeampi, arviointikynnyksenä pidetään taustapitoisuutta. Taustapitoisuudella tarkoitetaan haitallisten aineiden luontaisesti tavanomaisia pitoisuuksia maaperässä tai sellaisia kohonneita pitoisuuksia, jotka esiintyvät pintamaassa laajalla alueella pilaantuneeksi epäillyn alueen ympäristössä. Taustapitoisuuskartoitusten yhtenä päätavoitteena onkin määrittää eri alueille ja maalajeille tavanomaisen taustapitoisuusjakauman yläraja eli suurin suositeltu taustapitoisuusarvo (SSTP). SSTP on suurin arvo, jota ei katsota poikkeamaksi alueen taustapitoisuusjakaumasta.

Tänä päivänä tietoa geokemiallisista taustapitoisuuksista on Suomesta saatavilla sekä valtakunnallisista että alueellisista geokemian kartoituksista. Lisäksi viime vuosina on tehty geokemiallisia kartoituksia, jotka on kohdennettu rakennettuun taajamaympäristöön sekä kasvukeskusten lähiympäristöön. Näissä geokemiallisissa taustapitoisuustutkimuksissa on tuotettu kasvukeskusten ympäristöviranomaisille päätöksenteossa tarvittavaa tietoa alueen geologiasta ja diffuusista ilmalaskeumasta peräisin olevien haitallisten aineiden taustapitoisuuksista maaperässä.

Tietoa maaperän geokemiallisista taustapitoisuuksista voidaan maaperän pilaantuneisuuden arvioinnin lisäksi käyttää malmipotentiaalisten alueiden tunnistamisessa, maaperän kunnostushankkeissa kunnostustason määrittämisessä, pilaantuneen maaperän karakterisoinnissa sekä kaivettujen maa-ainesten hyötykäyttömahdollisuuksia arvioitaessa. Taustapitoisuuskartoituksia on Suomessa käytetty myös taajamien kaavoitusta tukeviin ja maaympäristön tilaa kuvaaviin geokemiallisiin ja ympäristögeologisiin tutkimuksiin. Lisäksi ympäristövaikutusten arviointiin (YVA) liittyvät perustilaselvitykset tarvitsevat tuekseen tietoja taustapitoisuuksista. Muita sovelluskohteita ovat esimerkiksi ihmisten kokonaisaltistumiseen liittyvät riskinarvioinnit. Luotettavien taustapitoisuustietojen avulla voidaan myös määrittää alueellisesti uudet ohjearvot pilaantuneelle maaperälle niille metalleille, joiden PIMA-asetuksessa (214/2007) esitetyt ohjearvot on määritetty ekologisin perustein.

Geokemiallisissa taustapitoisuuskartoituksissa tyypillisin näytemateriaali on mineraalimaa. Näytteitä otetaan yksittäisistä tutkimuspisteistä tai kokoomanäytteinä. Yksittäisiä näytteitä käytetään usein kohdennetuissa tutkimuksissa, kun lasketaan esimerkiksi tilastollisia tunnuslukuja eri näytemateriaaleille tai maankäyttötyypeille. Näytteenottosyvyys geokemiallisissa tutkimuksissa vaihtelee aina muuttumattomasta pohjamaasta pintamaahan. Taajamageokemiallisissa tutkimuksissa näytteet otetaan tyypillisesti pintamaasta, koska sen odotetaan kuvastavan parhaiten luontaisten, geologista alkuperää olevien geokemiallisten pitoisuuksien lisäksi hajakuormitusta. Maaperän pilaantuneisuuden arviointiin liittyvään näytteiden kemialliseen analysointiin on Suomessa annettu ohjeistus, jota noudatetaan yleisesti myös taustapitoisuuskartoituksissa. Epäorgaanisten haitta-aineiden analysointia varten maaperänäytteet kuivataan ja seulotaan alle 2 mm:n raekokoon. Näytteet uutetaan joko kuningasvedellä tai vahvalla typpihapolla. Orgaanisten yhdisteiden analysointiin suositellaan kaasukromatografisia analyysimenetelmiä. Heikkouuttoja käytetään yleisesti silloin, kun pyritään määrittämään aineiden biosaatavuutta. Vahvaan happouuttoon ja heikkouuttoon perustuvien tulosten perusteella voidaan myös selvittää maaperässä esiintyvän alkuaineen alkuperää eli sitä, onko alkuaine luontaista vai ihmisen toiminnasta maaperään päätynyttä. Sellaisilla alueilla, joissa on luontaisesti suuria pitoisuuksia mutta mahdollisesti myös pilaantunutta maaperää, tätä tietoa tarvitaan riskinarvioinnin tukena, kun tehdään päätöksiä maaperän kunnostustarpeesta.

Tieto maaperän geokemiallisesta taustapitoisuudesta on oleellinen maaperän pilaantuneisuuden ja puhdistustarpeen arvioinnissa. Taustapitoisuuksissa on geologisista ominaisuuksista johtuvaa alueellista vaihtelua, joka pitää huomioida näitä arviointeja tehtäessä. Lisäksi taustapitoisuuksissa voi olla hyvinkin suuria eroja eri näytemateriaaleissa. Suomen lainsäädäntö tukee taustapitoisuustietojen hyödyntämistä päätöksenteossa, ja tämän vuoksi on perustettu Taustapitoisuus-karttapalvelu (TAPIR), josta maaperän alueellisia taustapitoisuustietoja voidaan hakea tietokantaan tallennettujen pitoisuushavaintojen perusteella. Valtakunnallinen rekisteri tarjoaa taustapitoisuuksista yhtenevin menetelmin tuotettua tietoa, jota voidaan käyttää päätöksenteon tukena.