Testate amoebae (thecamoebians) as indicators of aquatic mine impact

The environmental impacts of a single mine often remain local, but acidic and metal-rich acid mine drainage (AMD) from the waste materials may pose a serious threat to adjacent surface waters and their ecosystems. Testate amoebae (thecamoebian) analysis was used together with lake sediment geochemistry to study and evaluate the ecological effects of sulphidic metal mines on aquatic environments. Three different mines were included in the study: Luikonlahti Cu-mine in Kaavi, eastern Finland, Haveri Cu-Au mine in Ylöjärvi, southern Finland and Pyhäsalmi Zn-Cu-S mine in Pyhäjärvi, central Finland. Luikonlahti and Haveri are closed mines, but Pyhäsalmi is still operating. The sampling strategy was case specific, and planned to provide a representative sediment sample series to define natural background conditions, to detect spatial and temporal variations in mine impacts, to evaluate the possible recovery after the peak contamination, and to distinguish the effects of other environmental factors from the mining impacts. In the Haveri case, diatom analyses were performed alongside thecamoebian analysis to evaluate the similarities and differences between the two proxies. The results of the analyses were investigated with multivariate methods (direct and indirect ordinations, diversity and distance measure indices). Finally, the results of each case study were harmonized, pooled, and jointly analyzed to summarize the results for this dissertation. Geochemical results showed broadly similar temporal patterns in each case. Concentrations of ions in the pre-disturbance samples defined the natural baseline against which other results were compared. The beginning of the mining activities had only minor impacts on sediment geochemistry, mainly appearing as an increased clastic input into the lakes at Haveri and Pyhäsalmi. The active mining phase was followed by the metallic contamination and, subsequently, by the most recent change towards decreased but still elevated metal concentrations in the sediments. Because of the delay in the oxidation of waste material and formation of AMD, the most intense, but transient metal contamination phase occurred in the post-mining period at Luikonlahti and Haveri. At Pyhäsalmi, the highest metal contamination preceded effluent mitigation actions. Spatial gradients were observed besides the temporal evolution in both the pre-disturbance and mine-impacted samples from Luikonlahti and Pyhäsalmi. The geochemical gradients varied with distance from the main source of contaminants (dispersion and dilution) and with water depth (redox and pH). The spatial extent of the highest metal contamination associated with these mines remained rather limited. At Haveri, the metallic impact was widespread, with the upstream site in another lake basin found to be contaminated. Changes in thecamoebian assemblages corresponded well with the geochemical results. Despite some differences, the general features and ecological responses of the faunal assemblages were rather similar in each lake. Constantly abundant strains of Difflugia oblonga, Difflugia protaeiformis and centropyxids formed the core of these assemblages. Increasing proportions of Cucurbitella tricuspis towards the surface samples were found in all of the cases. The results affirmed the indicator value of some already known indicator forms, but such as C. tricuspis and higher nutrient levels, but also elicited possible new ones such as D. oblonga ‘spinosa’ and clayey substrate, high conductivity and/or alkalinity, D. protaeiformis ‘multicornis’ and pH, water hardness and the amount of clastic material and Centropyxis constricta ‘aerophila’ and high metal and S concentrations. In each case, eutrophication appeared to be the most important environmental factor, masking the effects of other variables. Faunal responses to high metal inputs in sediments remained minor, but were nevertheless detectable. Besides the trophic state of the lake, numerical methods suggested overall geochemical conditions (pH, redox) to be the most important factor at Luikonlahti, whereas the Haveri results showed the clearest connection between metals and amoebae. At Pyhäsalmi, the strongest relationships were found between Ca- and S-rich present loading, redox conditions and substrate composition. Sediment geochemistry and testate amoeba analysis proved to be a suitable combination of methods to detect and describe the aquatic mine impacts in each specific case, to evaluate recovery and to differentiate between the effects of different anthropogenic and natural environmental factors. It was also suggested that aquatic mine impacts can be significantly mitigated by careful design and after-care of the waste facilities, especially by reducing and preventing AMD. The case-specific approach is nevertheless necessary because of the unique characteristics of each mine and variations in the environmental background conditions.

Karasjoen vihreäkivivyöhykkeen kultarakeiden ominaispiirteet

Pohjois-Norjassa, Finnmarkin läänin itäosassa sijaitsevan Karasjoen vihreäkivivyöhykkeen (KVV) on muiden vihreäkivialueiden tapaan ajateltu olevan potentiaalinen kohde orogeenisen kullan löytymiselle. Alueella on tehty järjestelmällistä malminetsintää eri yritysten toimesta jo 1950-luvulta asti, mutta aluetta voidaan silti pitää alitutkittuna muihin vastaavanlaisiin alueisiin verrattuna. Vuosina 2006–2012 Store Norske Gull As:n malminetsintään liittyen KVV:ltä kerättiin 1137 raskasmineraalinäytettä, joista on löydetty yhteensä lähes 13 000 kultaraetta. Näistä näytteistä valittiin 892, joiden 7928 kultarakeesta saaduilla tiedoilla määriteltiin alueen tausta-arvot kuvaamaan KVV:n rm-näytteissä esiintyvien kultarakeiden määrää, kokoa ja morfologiaa. Tausta-arvoja ja neljän erilaisen mineralisaatiotyypin ympäristöstä kerätyistä rm-näytteistä löydettyjen kultarakeiden määrää, morfologiaa ja hienouslukua verrattiin toisiinsa erilaisten kultaraepopulaatioiden löytämiseksi ja määrittämiseksi. Kolmella tutkimuskohteella on rm-näytteenoton lisäksi tehty kallioperäkairauksia ja kairasydämistä löytyneiden kultarakeiden hienouslukua verrattiin saman alueen rm-näytteiden kultarakeiden hienouslukuun. Raskasmineraalimenetelmän ohessa tehtiin moreenin geokemiallista tutkimusta, jonka perusteella saatuja tuloksia verrattiin tiettyjen alkuaineiden osalta saman näytepisteen rm-näytteen kultarakeiden määrään. Kaikki kultarakeet tutkittiin stereomikroskoopilla ja tämän lisäksi jokaiselta kohdealueelta valittiin muutamia rm- ja kairasydännäytteiden kultarakeita SEM-EDS-tutkimuksiin, jolla selvitettiin rakeiden pintojen tekstuurit ja kemialliset koostumukset. Kohdealueiden kultarakeiden määrän perusteella pystyttiin osoittamaan kaksi selvästi anomaalista aluetta Suolomaraksen BIF-tyypin rautamuodostumalla ja Raitevarrin porfyyrityypin Cu-Au-mineralisaatiolta. Muiden kohdealueiden ympäristössä kultarakeiden määrä rm-näytteissä ei ollut merkittävä. Rakeiden määrän ja morfologian sekä niiden hienouslukujen perusteella voitiin hyvällä varmuudella todeta Suolomaraksen esiintymällä olevien rakeiden olevan erittäin paikallisia, eivätkä ne todennäköisesti ole kulkeutuneet lainkaan viimeisimmän jäätiköitymisen aikana. Raitevarrin mineralisaation luoteisosassa olevat erittäin anomaaliset rm-näytteet ja niissä olevat kultarakeet ovat todennäköisesti peräisin eri mineralisaatiosta tai vaihtoehtoisesti saman mineralisaation kemiallisesti erilaisesta osasta kuin niistä noin kolme kilometriä kaakkoon kairatun kairasydännäytteet kultarakeet. Muiden kohdealueiden osalta aineistoa oli liian vähän, jotta rakeiden alkuperästä olisi voitu tehdä luotettavia päätelmiä. Moreenin geokemialliset analyysitulokset osoittivat kasvavaa korrelaatiota samasta näytepisteestä otettujen kultarakeiden määrän kanssa, kun rakeiden määrä näytteessä oli suurempi. Kultarakeiden määrän ollessa alle anomaliarajan, korrelaatio geokemiallisten tulosten kanssa oli heikko, kun taas anomaalisissa näytteissä vaikutti olevan jonkinlainen yhteys moreenin geokemiaan. Moreenin kultatutkimusten osalta rm-menetelmä vaikuttaisi antavan luotettavamman kuvan moreenin kullan määrästä kuin geokemiallinen menetelmä