MINERAALIKOOSTUMUKSEN KUVASTUMINEN KIVENNÄISMAAN KALSIUMIN, MAGNESIUMIN JA KALIUMIN PITOISUUDESSA Ritva Ryti f Maanviljelyskemian laitos, Helsingin yliopisto Saapunut 29. 9. 1972 REFLECTION OF MINERAL COMPOSITION OF SOIL IN CONTENTS OF CALCIUM, MAGNESIUM AND POTASSIUM Ritva Ryti t Department of Agricultural Chemistry , University of Helsinki Abstract. Results of röntgenographic examination of 30 untreated mineral soil samples from various parts of Finland were compared with their total contents of Ca, Mg and K. Within the different textural classes, an abundant occurrence of biotite and illite usually corresponded to a relatively high content of Mg. Kivennäismaittemme mineraalikoostumusta on tähän mennessä tutkittu verraten vä- hän. Erityisen niukasti on julkaistu tuloksia muokkauskerroksen näytteistä. Esimerkiksi SovEßin (1956, 1966) tutkimuksien kaikki näytteet ovat syvemmistä kerroksista, tavalli- sesti puolesta metristä metrin parin syvyyteen. Samoin Mäkitie ja Virri (1965) rajoit- tuivat tutkimuksessaan jankkokerroksen röntgendiffraktioon. Tutkimus on yleensä kohdistettu savesfraktioon, toisinaan myös hiesufraktioon. Tässä työssä on pyritty tutkimaan röntgenografisesti koko maan mineraalikoostumusta. Orgaa- nista ainestakaan ei ole poistettu, jotta vältyttäisiin mahdollisesta biotiitin vaurioitumi- sesta tavanmukaisessa vetyperoksidikäsittelyssä (vrt. Edwards ja Bremner 1967). Näin saatuja tuloksia on verrattu maanäytteiden kalsiumin, magnesiumin ja kaliumin pitoi- suuksiin. Aineisto ja menetelmät Tutkimusaineistona on 30 eri puolilta maata kerättyä enimmäkseen viljelymaiden näytettä, joiden alkuperä ja ottosyvyydet ilmenevät taulukosta 1. Siinä on myös tiedot näytteiden raekoostumuksesta määritettynä Elosen (1971) kehittämällä menetelmällä, pH-arvot mitattuina 0.02 n CaCl2-suspensiosta (1:2.5), sekä orgaanisen hiilen pitoisuus määritettynä märkäpoltolla. https://www.c-info.fi/en/info/?token=xJ9jd6MGrG9PjVh9.NXcR4zjbmTNSdKVr-yGotg.W9lNptxhtcTh36ODOya3EQtfmHWHu1hdZ6hbDwEzrdKUozmsB7bMNcKl9ltQt-Vr4P8Ys8IQ3ghm6Zxxc36sgMORh96CV5YrhOqQHalMWnd4Gwb_98IOnJCNM8JoMAI8cvRMJEtVwXohEtEUnfJTb3xMsnELzjQw 229 Taulukko 1. Maanäytteet. Table 1. Soil samples. Näyte Paikkakunta Syvyys Sample Place Depth Raekoostumus % Org. G pH Place Depth < 2ji 2—2op 20—200(1 200—2000(1 % AS Heavy days UM 2a Tuusula o—2o0 —20 84 12 2 2 0 1.0 4.9 MI 4b Kirkkonummi 40—60 80 18 2 1.6 5.5 Vi AS Helsinki o—4o0—40 78 14 7 1 1.0 5.5 R Ib Kärkölä 40—50 77 20 3 0 3 0 1.3 5.3 Mä 10a Mäntsälä o—2o0—20 64 28 5 4.3 5.3 MI 5b Leppävirta 20—40 60 31 9 3.0 4.8 HsS HeS Silt day-Clay loam MI Ib Vihti 60—80 59 38 3 0 0.8 6.0 Vi US Helsinki o—loo 59 28 11 2 3.1 3.5 R 9a Mouhijärvi o—2o0—20 42 49 8 1 6.4 4.9 R 2b Huittinen 20—40 40 41 19 0 5 5 2.2 4.3 R 6a Mouhijärvi o—2o0—20 37 50 8 3.3 5.2 R 6b „ 30—40 37 48 10 3.0 5.1 HP 4a Laukaa o—2o0—20 30 56 13 1 3.1 5.0 HP 4c „ 95—105 38 56 6 0 0 0.3 6.2 R 3c Huittinen 40—50 34 50 16 1.9 4.7 R 22b Säkylä 30—40 34 45 14 7 1.5 4.9 Ha la Karjalohja o—2o0—20 34 38 13 15 3.1 4.7 Hs He Silt-Loam Ta la Saarijärvi o—2o0—20 26 67 5 2 2.5 5.9 R 16a Tohmajärvi 0—25 R 16a „ 30—40 20 52 25 3 4.8 4.5 30—40 14 59 25 2 1.3 4.8 R 21b Säkylä 30—40 18 37 41 4 0.7 6.0 HT HK Mr Sand-Moraine R 19b Kokemäki 20—40 15 33 43 9 2.4 6.6 Vi Hk Helsinki o—3o R 14a Tohmajärvi o—2o R 14b „ 30—10 R 11a Joroinen o—2o Rllb „ 20—40 Ra 2b Varkaus 35—55 La la Lammi 3—13 La le „ 55—70 14 6 25 55 2.9 6.1 11 21 64 4 9 4.7 4.6 10 22 59 3.6 4.6 7 9 8 29 55 3.1 5.3 4 4 44 44 1.2 4.9 321 63 1.3 4.3 16 14 54 16 3.8 4.1 9 37 39 15 0.8 4.7 Röntgenografista tutkimusta varten päädyttiin kokeilujen perusteella seuraavaan menetelmään: 100 mg agaattihuhmaressa erittäin hienoksi jauhettua maanäytettä se- koitettiin 1 ml:an deionisoitua vettä pienessä koeputkessa ravistellen. Saatua suspensiota pipetoitiin 0.2 ml objektilasille rajatulle 2 cm 2:n alalle ja annettiin kuivua. Varsinaisen röntgenografisen tutkimuksen suoritti fil.lis. O. Näykki yliopiston geologian ja mineralo- gian laitoksessa Philipsin röntgendiffraktiokojeella PW 1009. 230 Taulukko 2. Röntgenografisen ja kemiallisen analyysin tulokset. Table 2. Results of röntgenographic and chemical analyses. Kvartsi Plagio- K-maa- Amfiboli Biotiitti Kloriitti Seoshila- Tot. % klaasi sälpä Illiitti mineraalit Qartz Plagio- K-feld- Amphibole Biotite Chlorite Mixedlaytr Ca Mg K clase spar Illite minerals AS Heavy clay UM 2a ++ ++ ++ + + + +++ + 0.57 2.05 3.28 MI 4b ++ ++ ++ ++ ++ + 0.86 1.83 3.18 Vi AS ++ + + ++ +++(+ ) 1-20 2.12 3.36 Rlb ++ + + + ++ ++ ++ 1-08 1.98 3.28 Mä 10a ++ + ++ ++ ++ + 1.10 1.54 2.80 MI 5b ++ ++ + + ++ ++ ++ 1.06 1.44 2.45 HsS Hes Silt clay, clay loam MI lb ++ + ++ ++ ++ ++ ++ 1.51 1.81 2.98 ViUS ++ + + + ++ + ++ + 1.00 1.42 2.98 R9a ++ + ++ ++ ++ ++ 1.10 1.19 2.49 R2b ++ ++ ++ ++ + ++ + (+ ) 1.00 1.05 2.55 R6a ++ ++ ++ (+ ) ++ + ++ + 1.22 1.27 2.80 R6b ++ ++ + +++ 1.23 1.26 2.76 HP 4a + + +++ ++++ ++ ++ + 1.52 1.09 2.52 HP 4c ++ ++ + + ++ ++ 1.82 1.62 2.93 Re 3c +++++++ + + + ++ 1-04 0.98 2.48 R22b ++ + ++ ++ ++ + + ++ 1.02 1.28 2.88 Ha la ++ + ++ ++ + ++ + (+ ) 0.89 0.95 2.42 Hs He Silt and loam Tala ++ + ++ + ++ + ++ + (+ ) 1.15 1.12 2.81 R 16a ++ + + + + + 1.13 0.88 1.76 R 16b ++ + ++ + ++ + ++ + ++ 1.29 1.75 2.05 R2lb ++ + ++ + ++ (+ ) + ++ + 1-17 0.75 2.35 Ht Hk Mr Sand and moraine Rl9b + + +++ ++ + + 0.90 0.54 2.30 ViHk ++++ ++ + ++ ++ 1.34 0.43 2.29 R 14a ++ + ++ + ++ (+ ) 1.38 0.63 1.34 R 14b ++ + + + ++ ++ + + 1.36 0.61 1.36 Rlla ++ + + + ++ + (+ ) 1-44 0.40 1.66 Rllb ++ + ++ + ++ ++ ++ 1.55 0.58 1.69 Ra2b ++++ + +++ + + 1.20 0.19 1.98 La la ++ ++ ++ + + +++ 1.32 0.71 1.60 La lc ++ + + ++ + ++ + 1.22 1.15 2.28 -|-4-4- = runsaasti jin abundance ++ = kohtalaisesti /moderately + = niukastl/scanlilily (+ ) = hiukan tai epävarmasti /in traces or uncertainly 231 Näytteiden kokonais-Ca:n, -Mg:n ja -K;n pitoisuudet määritettiin soodasulatteesta käyttämällä Ca;n ja Mg:n määrittämiseen Perkin-Elmersin atomiabsorptiospektrometria ja K:n määrittämiseen EEL:n liekkifotometria. Tulokset Taulukossa 2 esitetään röntgenografisen tutkimuksen tulokset. Koska tutkittavana on ollut alkuperäinen maa eikä vain savesfraktio, on ymmärrettävää, että kvartsin ja maasälpien osuus on merkittävä. Aitosavien kvartsin pitoisuus on tosin Mäntsälästä otet- tua Mä lOa-näytettä lukuunottamatta vain kohtalainen. Hiesu-ja hiuesavissa on kvartsia runsaasti tai kohtalaisesti, samoin karkeampien maiden ryhmissä. Tohmajärven hieta- moreeninäytettä (R 14a) lukuunottamatta on kaikissa maissa todettu sekä kalimaasalpää että plagioklaasia. Pieniä amfibolin määriä on tavattu useita eri geologisia alueita edus- tavista näytteistä. Hiukan dolomiittia havaittiin kahdessa itä-Suomen näytteessä (R 11a ja R 14b). Muuttumattomien mineraalien kohdalta mainittakoon vielä, että pienet kalsiitin määrät näytteissä Vi US, R 9a, R 6b ja R 21b ovat ilmeisesti kalkituksesta peräisin. Savimineraalikoostumus vaikuttaa myös varsin yhdenmukaiselta. Vallitsevina ovat biotiitti ja illiitti sekä kloriitti. Ainoastaan aitosavinäytteessä Mä 10a ei ole voitu todeta kloriittia ja Lammin luonnontilaisen harjumaan pintanäyte La la on ollut vailla bio- tiittia ja illiittiä. Savosta oleva aitosavi MI 5b ei näytä mineralogisesti eroavan Uudenmaan aito- savista. Viikistä, noin neliökilometrin alalta otetut kolmea eri maalajia edustavat näyt- teet Vi AS, Vi US ja Vi Hk ovat myös melko yhdenmukaiset savimineraalikoostumuk- seltaan: tosin aitosavinäytteessä kloriitti on vallitsevana, kun taas urpasavi (hiesusavien ryhmässä) sisältää vain vähän kloriittia ja kohtalaisesti biotiittia ja illiittiä. Sen runsaan seoshilamineraalien pitoisuuden voidaan katsoa ilmentävän pitkälle mennyttä rapautu- mista. Vertailtaessa sekä muokkauskerrosta että jankkoa tai pohjamaata edustavia näyte- pareja R 6a ja 6b, HP 4a ja 4c, R 11a ja 11b sekä R 14a ja 14b voidaan todeta, että vaikka vallitsevat savimineraalit ovatkin ilmeisesti samat, seoshilamineraaleja esiintyy vain muokkauskerroksessa. Tämä lienee viljelytoimenpiteiden vaikutusta rapautumiseen. Päinvastaisena esimerkkinä on näytepari R 16a ja 16b. Luonnontilaista maata edusta- vassa näyteparissa La la ja 1c osoittanee seoshilamineraalien löytyminen vain pinta- kerroksesta, jossa taas ei ole havaittavissa biotiittia ja illiittiä, rapautumisen ja uuttu- misen tehokkuutta happamassa ja kohtalaisesti orgaanista ainesta sisältävässä pinta- kerroksessa. Vertailtaessa röntgenografisen tutkimuksen ja kemiallisten analyysien tuloksia on kiinnitetty huomiota erityisesti magnesiumin pitoisuuteen, jonka vaihtelut kytkeytyvät kiinteämmin kuin kalsiumin ja kaliuminkin, tiettyjen kerrossilikaattien, etenkin biotiitin ja kloriitin esiintymiseen. Aitosavien joukossa suurimman kokonais-Mg:n pitoisuuden omaavat näytteet UM 2a ja Vi AS sisältävät erittäin runsaasti tai kohtalaisesti biotiittia ja illiittiä tai kloriittia. Kolmas näyte, jonka kokonais-Mg on edellisten tavoin n. 2 %, on R Ib, joka sekin si- sältää kohtalaisesti biotiittia ja illiittiä, kloriittia ja seoshilamineraaleja. Miltei saman- 232 lainen mineraalien esiintyminen on kuitenkin havaittavissa myös näytteessä MI sb, jonka kokonais-Mg on silti aitosavien alhaisin, 1.44%. Tämä näyte on keski-Suomesta, joten muista aitosavien ottopaikoista eroava geologinen alue lienee vaikuttamassa, il- meisesti myös muita pienempi saveksen pitoisuus. Kaikissa aitosavinäytteissä K:n ja Mg:n kokonaismäärät näyttävät seuraavan toisiaan. Hiesu- ja hiuesavinäytteiden röntgenografisten ja kemiallisten analyysien tulokset vaihtelevat huomattavasti ilmeisesti näytteenottopaikkojen erilaisen kallioperän mukaan. Runsaasti biotiittia ja illiittiä tai kloriittia sisältävissä näytteissä (R 6a, HP 4c, R 22 b, R 2b) on myös kemiallisen analyysin mukaan suhteellisen runsaasti magnesiumia. Mel- koisen osan kokonais-Mg:sta täytynee Viikin urpasavinäytteessä Vi US sisältyä seos- hilamineraaleihin. Runsas kloriitin esiintyminen näytteissä ei merkitse aina korkeaa Mg:n pitoisuutta, kuten näytteistä R 2b ja Ha la voidaan todeta. Myös hiesu- ja hiuemaitten pienessä ryhmässä näytteiden kloriitin pitoisuus näyttää vaikuttavan varsin vähän kokonais-magnesiumiin, joka sen sijaan kytkeytyy selvästi biotiitin ja illiitin esiintymiseen. Karkeiden maiden ryhmässä magnesiumin määrä on melko matala lukuunottamatta Lammin niukasti savesta mutta kohtalaisesti hiesua sisältävää syvemmän kerroksen näy- tettä La le, jonka Mg:n pitoisuus selittynee biotiitin ja illiitin runsauden perusteella. Karjalaiselta liuskealueelta olevat näytteet Ra 2b, RH ja Rl4 eroavat useimmista muista matalan K:n pitoisuuden takia. Näyte R 14 on pohjois-Karjalalle ominaista vaaramo- reenia. Muokkauskerroksen R 14a:n ja jankon R 14b:n kemialliset analyysitulokset eivät eroa toisistaan. Sen sijaan näiden raekoostumukseltaan verraten samanlaisten näytteiden röntgenografinen tutkimus on antanut selvästi erilaiset tulokset. Tiivistelmä Tutkimuksessa on yritetty selvittää kivennäismaan mineraalikoostumuksen ilmene- mistä maan kalsiumin, magnesiumin ja kaliumin pitoisuuksissa. Tutkimusaineistona oli 30 eri puolilta maata kerättyä etupäässä viljelymaan muokkauskerroksen tai jankon näytettä. Röntgenografinen tutkimus kohdistettiin alkuperäiseen, vain hienoksi jauhettuun maahan, josta ei edes poistettu orgaanista ainesta. Näytteissä havaittiin näin ollen ver- raten runsaasti kvartsia ja maasälpiä. Tulokset eivät muuten poikenneet sanottavasti meillä tähän mennessä julkaistuista maittemme mineraalikoostumustakoskevista tiedoista. Eri maalajiryhmissä näytti korkea magnesiumin pitoisuus kytkeytyvän runsaaseen biotiitin ja illiitin esiintymiseen. Kloriitin runsaudella näytti olevan vähemmän mer- kitystä. Näytteiden kalsiumin ja kaliumin pitoisuuksien vaihtelut eivät selittyneet röntgeno- grafisten havaintojen perusteella. Artikkeli käsittää osan maisteri Ritva Ryti-vainajan tutkimuksesta, jota varten hän sai apurahan August Johannes ja Aino Tiuran Maatalouden tutkimussäätiöltä vuosina 1968 ja 1969. Työn on viimeis- tellyt painokuntoon Armi Kaila. 233 KIRJALLISUUTTA Edwards, A. P. & Bremner, J. M. 1967. Dispersion of soil particles by sonic vibration. J. Soil Sci. 18: 47—63. Elonen, P. 1971. Particle-size analysis of soil. Acta Agr. Fenn. 122. 122 s. Hämeenlinna. Mäkitie, O. & Virri, K. 1965. On the exchange characteristics of some clay soils in the Middle Uusi- maa. Ann. Agric. Fenn. 4:277 —298. Soveri, U. 1956. The mineralogical composition of argillaceous sediments of Finland. Ann. Acad. Scient. Fenn. A. 11l 48. Soveri, U. & Hyyppä, J. M. 1966. On the mineralogy of fine fractions of some Finnish glacial tills. State Inst. Tech. Res. Finland, Pubi. 113.