Fortellinger om geologi og gruvedrift: Jern og myrmalm

Dette er noen fortellinger om geologi, gruvedrift og den faglige utviklingen innen geologifaget i Norge fram til oljealderen.

Fortellingene har som mål å formidle den historiske utviklingen på en lettfattelig måte sett med øynene til en geolog og en bergmann, uten ambisjoner om å være helt faghistorisk korrekt på detalj-nivå. Teknologi og kunnskap har gått hånd i hånd med menneskets bruk av stein, mineraler og metaller. Også i dag, ved overgangen til et fossilfritt samfunn, står forsyningen av metaller sentralt.

Del 1: Steinalderen

Del 2: Gull og jern

Del 3: Kobber og bronse

Jernalderen 500 f.Kr – 1050 e.Kr

Jernalderen i Norge regnes fra 500 år før vår tidsregning (fvt.) til 1050 år etter vår tidsregning (evt.), og betegnelsen på perioden viser til at teknologien for framstilling av jern ble etablert som den viktigste metoden for produksjon av våpen og redskaper.

Bygging av ‘vikingskip’ med bordganger sammenføyd med klinkete jernnagler, bruk av jernbeslag, og hengsler av jern til roret, ble også utviklet i denne perioden.

Jernalderen og Vikingtiden ‘overlapper’ med tidlig middelalder, som regnes fra rundt 500 til 1050 evt. Deretter kommer høymiddelalder til rundt 1300, og senmiddelalder fram til reformasjonen i 1536. Produksjon av jern til redskap og våpen var selvsagt like viktig i middelalderen som i jernalderen.

Starten på jernalderteknologien

I likhet med bronsealderen så startet også jernalderen i Lilleasia. Mesteparten av Lilleasias landareal (97 %) tilhører nå Tyrkia. Den første produksjonen av jern i dette området fant sted mer enn 3 500 år før nåtid, mens den første produksjonen av jern i Norge er datert til omtrent 2 400 år før nåtid (Stenvik, 2018).

Kunnskapen om framstilling av jern i Lilleasia var nok basert på deres erfaring med produksjon av kobber, der kobberoksider ble omdannet til rent metall ved gløding i ovner fyrt med ved og trekull. Så også med framstilling av jern. Glødende trekull avgir gassene karbondioksid (CO₂) og karbonmonoksid (CO, også kalt kullos).

Mengdeforholdet mellom disse gassene er avhengig av lufttilførselen og mengde kull i ovnen, og her er det CO-gassen som er viktigst, for den «stjeler» oksygenet fra metalloksidet for å danne CO₂, mens metalloksidet går over til rent metall. Dette kalles en ‘reduksjonsprosess’.

Problemene med fremstilling av jern er at det er mindre ‘edelt’ enn kobber, og jernoksidene holder derfor sterkere på oksygenet. Et annet problem er at jernet har mye høyere smeltepunkt enn kobber; 1 536 ^OC versus 1 085 ^OC for kobber, og i en enkel ovn fyrt med ved og trekull, og uten ekstra tilførsel av luft (med blåsebelg) oppnås ikke høyere temperaturer enn rundt 1 200 ^OC.

De kjemiske og fysiske naturlovene som styrer reaksjonene var ukjente på den tiden, så pionerene som utviklet jernvinneprosessen baserte seg på prøving og feiling, og de lyktes! For selv om de ikke kunne smelte jernet, så lyktes de med å smelte slagget, og når dette drenerte ned gjennom ovnen, så lå jernet igjen som aggregerte klumper (‘jernlupper’) i glørne.

Alkymistene i Middelalderen assosierte jern med rust, og rødfargen var fargen til planeten Mars, så derfor er symbolet for Mars også symbolet for jern ♂. Navnet ‘Mars’ dukker opp i den tyske betegnelsen på de store smelteovnene for jern, nemlig «Marsofen», som på norsk skrives masovn. På latin heter jern «Ferrum», og det kjemiske symbolet for jern er derfor Fe.

 Hva slags malmer hadde de i Lilleasia?

Malmene de fant i Lilleasia som kunne brukes til framstilling av kobber og jern, var hovedsakelig forvitringsmasser fra sulfidrike bergarter, såkalte ‘kisbergarter’. De forvitrer (‘oppløses’) relativt lett i oksidert regnvann sammenlignet med andre bergarter. Det oksiderte vannet fører også til at jernet som løses ut blir oksidert, fra Fe²⁺ til Fe³⁺, og Fe³⁺ er ikke løselig i vann, så det felles ut som rust (jernhydroksid, Fe(OH)₃).

Men i et varmt og tørt klima dehydrerer slike rustutfellinger, og krystalliserer til mineraler som goethitt (FeOOH) eller hematitt (Fe₂O₃), avhengig av hvor tørt og varmt klimaet er. Hematitt gir den røde fargen vi ser i Nord-Afrika, mens goethitt, med sin gul-oransje til brunlige farge, dannes i søreuropeisk klima. Limonitt er en samlebetegnelse på masser der goethitt er hovedkomponenten.

Slike forvitringsmasser var lette å grave ut og behandle videre, sammenlignet med fast fjell. Det store jernverket i Sosnowiec, Polen, bruker fortsatt limonitt fra Bosnia-Herzegovina i sin produksjon. Dette kan være tilsvarende den malmen de brukte i Lilleasia til jernframstilling for mer enn 3 500 år siden.

Jernmalmer brukt som pigment

De sterke fargene til hematitt og goethitt førte til at de ble ettertraktet som pigmenter for maling, under betegnelsene ‘rød oker’ og ‘gul oker’. Rød oker (hematitt) har blitt brukt av mennesker langt tilbake i historien, f.eks. er det funnet hulemalerier i Sør-Afrika som er malt med rød oker for 73 000 år siden.

Finmalt rød oker rørt ut i (kokt) linolje var vel den første malingstypen som ble brukt på låver og uthus i Norge. Det var nok seilskuteskippere som tok med seg oker tilbake til Norge som ballast, og særlig etter at det ble en ettertraktet handelsvare.

Hvilke typer jernmalmer var tilgjengelig i Norge?

I jernalderen var myrmalm den viktigste kilden til produksjon av jern. Myrene i Norge begynte å dannes da isbreene smeltet, for ca. 10 000 år siden. Etter hvert som vegetasjonen etablerte seg innover landet, ble det dannet jordsmonn og myrer, noe som er forutsetningen for dannelse av myrmalm.

Myrmalm var relativt lett å finne og å grave ut, når man fikk kunnskap om det. Også sjømalm var tilgjengelig, men det var myrmalmen som var viktigst, og siden det er mer enn 30 000 km² med myr fordelt rundt i Norge, så var det store ressurser å ta av, selv om ikke alle myrer inneholder myrmalm.

Prosessen med å framstille jern fra myrmalm i små smelteovner blir referert til som ‘jernvinna’, og jernet som ble fremstilt kalles ‘blesterjern’ eller ‘fellujern’.

Hvordan dannes myrmalm?

Morenejord avsatt av isbreene under siste istid er den mest utbredde jordarten i Norge, og siden forvitring i morenejord er kilden for myrmalmen, så er det en forutsetning at myrene ble utviklet i kontakt med slik morenejord. Jernet kommer nemlig fra forvitring (oppløsing) av jernholdige mineraler i morenejorda, der sigevannet transporterer oppløst jern ut i tilliggende myrer.

Bergartsfragmentene og mineralene i morenejorda er lite løselig i nedbørsvann, men her kommer vegetasjonen inn som en viktig akselerator for forvitringen. Vegetasjonen tar opp næringsstoffer og vann fra rotsonen, og næringsstoffene blir løst ut fra mineraljorda av syrer som dannes ved nedbryting av de døde planterestene. Dette foregår i jordsmonnet som dannes i rotsonen, der det er et yrende liv av insekter (spretthaler, nematoder, hjuldyr), og ikke minst av bakterier og sopper som bryter ned døde planterester.

I denne kompliserte biologiske prosessen dannes det sure organiske stoffer, som humus- og fulvosyrer. De etser på mineralflatene, og binder seg lett til oppløste metall-ioner.

Nedbøren inneholder også syrer, slik som CO₂ og SO₂, men nedbørsvannet er å betrakte som destillert vann, så selv om pH i nedbøren kommer ned mot 4, så har regnvannet svært liten bufferkapasitet.

Syremengden blir derfor liten i forhold til det som produseres i jordsmonnet – mindre enn 15 % (Rueslåtten og Jørgensen, 1978). Det sureste sjiktet i jordsmonnet (podsolprofilet) er derfor humuslaget, dvs., det øverste, mørke sjiktet i jordsmonnet (figuren under).

I humussjiktet ligger pH på rundt 3,5. Til sammenligning har vanlig eddik (til matlaging) en pH på ca. 3. Under humussjiktet er blekjordssjiktet, som har fått det bleke utseendet fordi de jernholdige mineralene har gått i oppløsning, og de oppløste stoffene er transportert med sigevannet ned i det brune ‘utfellingssjiktet’. De viktigste komponentene i denne brune utfellingsmassen er jern- aluminium-humus-komplekser (Rueslåtten 1976; Rueslåtten and Jørgensen, 1977).

Disse kompleksene har en viss løselighet i det sure vannet øverst i profilet, men felles ut der pH øker fra 4 til rundt 5.

Nederst i podsol-profilet ser vi den grå, uforvitrete morenejorden med en mer nøytral pH, på 6 til 7. På dette nivået har det meste av syrene i sigevannet blitt ‘brukt opp’ til forvitring av mineraler. De lett vannløselige stoffene fra de oppløste mineralene er natrium, kalsium, magnesium, og kalium, og de følger sigevannet videre nedover i jordprofilet og ned i grunnvannet. Det gjør også kiselsyre (Si(OH)₄). Dette er stoffer som plantene tar opp i varierende grad i rotsonen. Opptak av kiselsyre i myrplantene er en viktig komponent for slaggdannelsen under smelting av myrmalm. Dette er diskutert nedenfor.

I myrkantene når grunnvannsspeilet opp i utfellingssjiktet, der tilførselen av oksidert vann er begrenset, mens den bakterielle nedbrytingen av humusstoffer fortsetter.

Denne bakterielle aktiviteten fører til at oksygenet i sigevannet ‘brukes opp’, slik at sigevannet blir ‘redusert’, noe som fører til at jernet i jern-humus-kompleksene også blir ‘redusert’ fra Fe³⁺ til det vannløselige Fe²⁺, og slik følger jernet sigevannet ut i myra.

Utfelling av myrmalm

For at myra skal få akkumulert jern må det være et visst sig i vannstrømmen, noe som forutsetter en viss helning på myra. Det jernholdige vannet vil da følge grunnvannets strømning nedover i myra, og på denne måten kan myra «lades opp med jern». Oksidert regnvann og luft fører til at det øverste sjiktet (20 – 40 cm) i myra er litt oksidert, og under transporten av jernholdig vann nedover i myra kommer dette vannet i kontakt med den oksiderte sonen og blir oksidert. Der felles jernet ut som myrmalm.

Alle de sure humusstoffene i myra «forgifter» krystallveksten av rene jernmineraler, så det meste av jernet er derfor ‘amorft’, dvs. uten regelmessige krystallstrukturer som kan gi reflekser på et røntgen-diffraktogram (XRD). Noen svake reflekser for goethitt (FeOOH) kan ses på XRD, men de utgjør som regel mindre enn 10 % av malmen (Rueslåtten 1985).

Myrmalmen som dannes består ofte av bønnestore aggregater eller sammenhengende ‘skorper’, og letingen etter malmen foregikk ved å stikke med et jernspyd i myra og lytte etter skrapelyder og trykkmotstand mot ‘malm-spydet’. Men myrmalmen kan også ha en myk konsistens som ikke kan oppdages med malm-spydet. Slik malm finner en bare ved graving i myra, og ved å undersøke farge og konsistens.

En annen indikasjon på at myra inneholder jernmalm er at vannpytter i myrkantene har blå-skimrende belegg på overflaten. Dette skyldes at redusert, jernholdig myrvann blir oksidert i grensesjiktet mot luft, slik at det dannes tynne sjikt av rust (2-7 nanometer) i overflaten (se figuren under). Slike rust-hinner bryter lyset på samme måte som en olje-film, og gir dette farge-fenomenet.

Når rustfilmen blir tykk nok, synker den til bunns, og danner et rustfarget slam. Et vanlig ord brukt for slam, er ‘gorr’ eller ‘gørr’, og ifølge Ivar Berre (pers. kom. 1985) ble slike rustfilmer kalt ‘malmgorro’ i Trøndelag.

Dersom jernholdig grunnvann kommer ut i et kildeutspring høyere oppe i terrenget enn myra, vil det dannes ‘raudveller’, som vist i figuren under. Kjemisk analyse av denne jernutfellingen (fra en lokalitet nær Randsverk i Jotunheimen) viser ren rust, dvs. jernhydroksid (Fe(OH)₃).

‘Raudveller’ kan også dannes under vann, der jernholdig grunnvann strømmer ut i en fjord eller hav, og blir oksidert i kontakt med det oksiderte sjøvannet. Slike sjømalmer er derfor også rene kjemiske jernhydroksider, og kan også brukes til jernframstilling i en jernvinneovn, men et problem kan være at de ikke inneholder tilstrekkelig med kiselsyre/kvarts til slaggdannelse, og dessuten ligger de under vann.

Er myrmalm en fornybar ressurs?

Myrdannelsen er fornybar, og skjer i områder med dårlig drenering av nedbørsvann, og i slik «vassjuk» jord danner det seg spesielle plantesamfunn. Vekstraten av myr avhenger av både tilførsel av vann med næringsstoffer og høyden over havet (klimaet). Generelt antas det at myr «legger på seg» ca. 1 mm per år, dvs. 1 m på tusen år, men saktere på fjellet enn nede i lavlandet.

De varme klimaperiodene for 5 000 til 7 000 år siden førte nok til en raskere påvekst av myrene, noe de kunne «høste av» i jernalderen.

Som nevnt ovenfor, er det forvitringen i rotsonen som frigjør jernet som transporteres ut i myra.

Myrer som får tilført slikt sigevann fra mineraljorda, får tilført viktige gjødselstoffer til planteveksten, og også vannløselig redusert jern (Fe²⁺). Denne tilførselen av jern til de norske myrområdene pågår fortsatt, og derfor kan myrmalm betraktes som en fornybar ressurs.

Men tid og klima er viktige parametere for hvor raskt myrene kan «lades opp» med jern. Malmen de tok ut i jernalderen hadde blitt dannet over flere tusen år.

Myrer under marin grense (MG) har hatt kortere tid på å bygge seg opp, fordi det tok lang tid før landhevingen tørrla disse områdene. I tillegg har leirjord svært lav gjennomstrømningsevne for vann, så myrer som ligger inntil leirterreng vil i liten grad tilføres jern. I Trøndelag ligger MG på 170-180 m o.h. i store områder, og ingen jernvinner er funnet under dette nivået.

Betydningen av slaggdannelse

Slaggdannelsen i jernvinneprosessen er helt avgjørende, og står i forhold til mengde jern som blir produsert. Siden slagget som dannes er jern-silikat, må myrmalmen inneholde tilgjengelig silisiumholdig materiale. Dette silisiumet kommer nok for en stor del fra kiselholdige planter i myra, for myrplanter som starrgress og skavgress (også kalt ‘kaslegras’) inneholder mye plante-opal. Ordet ‘kaslegras’ viser til at bunter av slikt stivt gress ble brukt som gryteskrubber i eldre tider, fordi stråene var skarpe av plante-opal.

I tillegg til slik plante-opal ble det (noen steder) transportert litt sand ut i myrene i flomperioder (kanskje også flygesand), og sand inneholder som regel mye kvarts (silisiumoksid, SiO₂) som fungerer som slaggdanner.

Røsting og knusing av malmen

Myrjorda inneholder mye vann, og myrmalmen inneholder mye hydroksylgrupper som drives av som vanndamp i ovnen. Dette vil redusere temperaturen i ovnen.

For å hindre dette fant de etter hvert på noe lurt: De røstet malmen på et åpent bål utenfor ovnen før de brukte den i smelteovnen. Da ble alt det organiske materialet brent bort, og jernforbindelsene krystalliserte til rene jernoksider: Maghemitt (gamma-Fe₂O₃), magnetitt (Fe₃O₄), og hematitt (Fe₂O₃).

Etter røstingen måtte malmen knuses og males til partikkelstørrelser som sand (finere enn 0,5 mm). Da får malmen et større overflateareal i kontakten mot karbonmonoksid i smelteovnen, slik at reduksjonen av jernoksidene til metall går raskere og blir mer fullstendig.

Et viktig poeng ved røstingen er at silisium fra myrplantene er anriket i myrjorda som myrmalmen ligger i, og blir bevart i malmen under røstingen, og det er slaggdannelsen med silisium som muliggjør framstilling av rent jern i de enkle ved- og kullfyrte smelteovnene i jernalderen.

Her kommer temperaturen opp i vel 1 200 ^OC, og da smelter slagget (jernsilikatet fayalitt, (Fe₂SiO₄) med smeltepunkt 1 205 ^OC) og drenerer ned gjennom det glødende kullet, mens aggregater av jernet sintrer sammen og blir liggende igjen i fast form, som ‘jernlupper’. Siden smeltepunktet for jern er 1 536 ^OC så smelter ikke jernet i jernvinneovnen, og jernframstillingen kan derfor foregå i én prosess.

En ytterligere fordel med røstingen er at eventuelt innhold av svovel (sulfider) i myrjorda vil brennes av som SO₂-gass. Svovel i malmen vil ellers kunne skade stålkvaliteten.

ARNE BJØRLYKKE OG HÅKON RUESLÅTTEN

Bygging av smelteovner

Bygging av funksjonelle smelteovner var avgjørende for utviklingen av jernvinneteknologien. I perioden 400 år fvt. til 1800 år evt. ble det benyttet 4 hovedtyper smelteovner (masovner ikke inkludert). De eldste er fra førromersk tid til merovingertiden (400 år fvt., til 600 år evt.) og blir referert til som Type Ia og Type Ib. Type II er fra vikingtiden til høymiddelalderen, og Type III er i bruk fra begynnelsen på 1400-tallet til rundt 1800-tallet (Espelund 2008; 2013).

Blesterovner Type Ia og Ib

Type Ia refereres til som ‘Trøndelagsovnen’ (Espelund, 2013; Stenvik, 2005) og er særlig godt beskrevet etter utgravingen av jernvinneanlegget på Heglesvollen i Levanger kommune (Berre, 1985). Der var det fire jernvinneovner (‘grop-ovner’) som var gravd opptil en meter ned i fremkanten av en terrasse.

Ovnene var svakt traktformet, og med en diameter på rundt 0,8 m. Veggene i ovnen var kledd med stein og tettet med leire. Et lag med steinheller på bakkenivå ga en jevn og fin avslutning på toppen av ovnen, og var trolig fundament for ei sjakt («skorstein») som ble bygget over bakkenivå. Den dypeste delen av gropa var til oppsamling av slagget fra smelteprosessen.

På siden mot terrassekanten var det en åpning i ovnsveggen (40-50 cm bred), der slagget ble tatt ut og kastet nedover skråningen utenfor. Denne dyngen av slagg kalles et ‘slaggvarp’. Åpningen fungerte også for naturlig innsuging av luft til bålet i ovnen, og sjakten fungerte da som en skorstein, slik at den naturlige trekken økte.

Veden ble fylt helt opp i sjakta, og i slagg-gropa ble veden stablet slik at slagget lett kunne renne ned. Den røstete malmen ble drysset ned på det glødende kullet, etterfulgt av mer ved.

CO-gassen fra det glødende kullet reduserte jernoksidene til metallisk jern.