Geologia ja sitä kautta Maan historia näkyy kaupunkikuvassa esimerkiksi rakennusten julkisivuissa.

Minulta on usein kysytty, mitä geologia oikeastaan tutkii. Vastaus on melko pitkä (ks. alla), mutta toisaalta todella lyhyt: geologia tutkii kaikkea mitä näemme… ja hieman tarkentaen kaikkea sitä, jota ihminen ei ole rakentanut. Todellinen vastaus on tietenkin monimutkaisempi, mutta pohjimmiltaan ympäristömme on geologisten prosessien aikaansaamaa. Suomessa konkreettisia esimerkkejä ovat Itämeri, kalliot, Lapin tunturit ja harjut.

Geologia siis tutkii Maata ja sen toimintaa. Se pyrkii antamaan kontekstin sille, miksi ympärillämme avautuva maailma näyttää juuri tältä. Perustavanlaatuisia kysymyksiä voivat olla: Miten vuoristot ovat syntyneet, millä tavalla jääkaudet muovaavat maa- ja kallioperää tai miksi Afrikka ja Amerikka sijaitsivat joskus vierekkäin?

Eihän tuolla pihalla näy mitään -saattaa joku huudahtaa. Tämä pitää useimmiten paikkansa. Konkreettisia ja ihmisen eliniän mittakaavassa havaittavia geologisia ilmiöitä ovat tulivuorenpurkaukset ja maanjäristykset oheisilmiöineen (tsunamit). Monet muut tapahtumat kuten yllä mainittu vuoristojen kohoaminen tai mannerlaattojen liike, ovat liian hitaita paljaalla silmällä havaittavaksi. Geologisilla mittalaitteilla tämä sen sijaan voidaan todentaa. Esimerkiksi kahdelle erkanevalle mantereelle voidaan sijoittaa anturit, joiden paikat tunnetaan tarkasti. Seuraamalla anturien keskinäistä etäisyyttä on mahdollista havaita, että mannerlaattojen liike on keskimäärin 2-6 senttimetriä vuodessa.

 

Erittäin tiivistetty Maan historia

Maan historia yltää lähes viiden miljardin vuoden taakse. Tämän ajanjakson mahduttaminen kahteen kappaleeseen on rehellisesti sanottuna mahdotonta. Alle olen kuitenkin koonnut muutaman tärkeän tapahtuman planeettamme historiasta ja toiminnasta. Ne antavat hieman taustatietoa kivikierroksen kohteille. Suosittelen lämpimästi tutustumaan aiheeseen laajemmalti – etenkin jos alla oleva ja vahvasti tiivistetty versio jättää liian monta kysymystä avoimeksi.

Pelkistetty geologinen aikaskaala. Oheiseen kuvaan on kirjattu ajanjakso, jolloin pääosa Lounais-Suomen kallioperästä on muodostunut. Viimeisimmän jäätiköitymisen päättyminen n. 10 000 vuotta sitten ei enää mahdu kuvaan, mutta voit ajatella sen tapahtuneen “nykyhetkessä”.

Mannerlaatat, eli maapallon kaikkein uloimmat osat ovat jatkuvassa liikkeessä. Liike ei ole kuitenkaan syntynyt hetkessä, vaan juontaa juurensa Maan syntyaikoihin noin 4560 miljoonan vuoden taakse. Tuolloin, Aurinkokuntamme muodostumista seuranneessa temmellyksessä maapallo muistutti lähinnä sulaa laavamerta. Radioaktiivinen säteily sekä maapallon ”tiivistyminen” pitivät yhdessä jatkuvan meteoriittipommituksen kanssa olosuhteet melko tukalina (ainakin mikäli asiaa tarkastelee nykyihmisen näkökulmasta). Maan alkuvaiheen inferno huipentui Marsin kokoisen kappaleen, Theian, osuessa noin 4530 miljoonaa vuotta sitten jo muutenkin kuumaan maapalloon. Törmäyksen myötä ohut kiteytynyt pinta suli ja kiertoradalle sinkoutuneesta aineksesta muodostui nykyinen kuumme.

Taiteilijan näkemys Marsin kokoisen kappaleen törmäyksestä alkumaahan. Kuva: Fahad Sulehria.
Differentaation myötä maalle syntyivät kemiallisesti ja fysikaalisesti eroavat kerrokset.

Maan sisässä oleva rauta alkoi sulaa. Samalla alkuaineet olivat aloittaneet jo erottumisen eli geologisesti ilmaistuna segretaation tai differentaation. Differentaatio on yksi tärkeimpiä maan tapahtumia, ilman sitä planeettamme muistuttaisi kylmää naapuriamme, Kuuta. Käytännnössä differentaatio ilmeni siten, että raskaat alkuaineet alkoivat vajota kohti Maan keskusta kevyempien jäädessä paikalleen tai kohotessa. Näin syntyi rauta- ja nikkelipitoinen ydin sekä pääosin kevyemmistä alkuaineista, kuten alumiinista, natriumista, piistä ja hapesta muodostuvat vaippa ja kuori. Maan kuoressa on kuitenkin raskaitakin alkuaineita, kuten uraania. Periaatteessa uraanin pitäisi sijaita ytimessä? Näin ei kuitenkaan ole sillä ytimen suuri tiheys ja siellä vallitseva paine estävät niitä ”sopimasta” sinne. Sen sijaan uraani viihtyy hyvin ympäristössä, jossa rakennusaineina on piitä ja happea. Tämän vuoksi sitä on löydettävissä läheltä maan pintaa. Alkuaineiden erottuminen vaikutti myös maan lämpötilaan. Runsaan lämpösäteilyn myötä pinnan lämpötila alkoi laskea, jonka myötä syntyi kiinteää kuorta. 

Kiinteän kuoren myötä käynnistyi toinen maan tärkeistä geologisista prosesseista, joka on käytännössä johtanut siihen, ettemme asu kylmällä ja kolkolla kiviplaneetalla. Yleisesti tätä ilmiötä kutsutaan laattatektoniikaksi ja siihen vaikuttaa useampi tekijä. Laattatektoniikka (lue historiaa geologia.fi:stä) tutkii maan jäähtymisen jälkeen syntyneen kuoren halkeamista useaksi suureksi laataksi sekä näiden laattojen keskinäistä liikettä. Tämän kivikehän liike on tärkeä myös kivikierroksen kannalta. Kuten ehkä nimestä voi päätellä, on kivikehä hauras. Tämän vuoksi se on lohjennut suuriksi laatoiksi, jotka yhdessä kattavat koko maapallon. Osa laatoista on suurempie (esimerkiksi Euraasian ja Pohjois-Amerikan laatta) ja osa pienempiä. Ne käsittävät maanpäällisten osien lisäksi myös merenalaiset osat. Laatat ovat myös jatkuvassa keskinäisessä liikkeessä, joka voi olla törmäävää, erkanevaa tai hiertävää. Liikettä ylläpitää Maan sisäinen lämpö sekä törmäyksessä tapahtuva vaippaa kohti vajoavan laatan vetävä voima. Aiheesta on kirjoitettu tarkemmin esimerkiksi geologia.fi –portaalissa. Myös Wikipedia tarjoaa (englanniksi) hyvä johdannon laattatektoniikkaan.

Maankuori on lohkeillut suuriksi laatoiksi. Oheisessa kuvassa on esitetty laattojen reunat. Kuva: Wikipedia Commons.

Uutta mannerlaattaa syntyy niissä kohdin, jossa laatat erkanevat. Erkanemista tapahtuu vaikka edellä mainittujen Euraasian laatan ja Pohjois-Amerikan laatan rajalla Atlantin keskellä (näiden laattojen erkanemista voi maan päällä ”seurata” Islannissa). Vastaavasti törmäyksessä toinen laatoista painuu usein toisen alle ja tuloksena syntyy maanjäristyksiä, tulivuoria ja uusi vuoristo. Tällainen tilanne on esimerkiksi Himalajalla tai Andeilla, jossa maan kuori on ”rypistynyt” ylöspäin. Edellisen lisäksi liike voi olla myös hiertävää, jossa laatat liikkuvat sivuttain. Ehkä tunnetuin esimerkki hiertävästä liikkeestä on San Andreasin hautavajoama, joka on aiheuttanut monia tuhoisia maanjäristyksiä Kalifornian alueella Yhdysvalloissa.

Kivet ovat osa niin kutsuttua aineen kiertokulkua. Kiertokulku perustuu rapautumiseen, kuljetukseen ja kerrostumiseen. Kerrostumisen jälkeen kivi joutuu laattatektoniikan myötä maan sisään, jossa se sulaa tai metamorfoituu toiseksi kiveksi. 

Periaate aineen kiertokulusta. Kivet ovat osa laajempaa kiertokulkua, joka liittyy läheisesti Maan toimintaan. Kiertokulun voi ajatella esimerkiksi näin: vuorille sataa lunta ja vettä. Muodostuva sulamisvesi kuluttaa kallioperää ja irronnut aines kulkeutuu virtaavan veden mukana mereen. Meressä aines kerrostuu ja lopulta kovettuu. Paineen ja lämpötilan kasvaessa riittävästi, kivi metamorfoituu tai sulaa. Lopulta magma vapautuu tulivuorenpurkauksessa tai kivi paljastuu eroosion kuluttaessa kallioperää. Piirros: Harri Kutvonen/GTK.

Mistä on kivet tehty?

Kivet koostuvat mineraaleista. Mineraalit puolestaan ovat muodostuneet alkuaineista, kuten alumiinista, hapesta, piistä tai raudasta. Mineraaleja tunnetaan vajaa 4000 ja ne erotellaan toisistaan kemiallisen koostumuksen, niiden keskinäisen geometrian sekä fyysisten ominaisuuksien (esim. kovuus) perusteella.

Viborgiitti Hamburger Börssin seinässä. Kivessä näkyvät hyvin sen muodostaneet mineraalit. Päämineraaleja on kolme: (1) kalimaasälpä, (2) plagioklaasi sekä (3) tummat kiilteet kuten sarvivälke ja biotiitti. Joskus kivi voi olla niin hienorakeista, että mineraalien erottaminen siitä on hyvin hankalaa.

Useimmat kivet ovat koostumukseltaan heterogeenisiä eli ne sisältävät vaihtelevan määrän eri mineraaleja. Yleisesti voidaankin sanoa, että ”kivi on luonnollisten prosessien tuloksena syntynyt mineraalien yhdistelmä”. Tällainen yhdistelmä on voinut syntyä kolmella eri tavalla. Sedimenttikivi on syntynyt kerrostumalla, magmakivi sulasta kiviaineksesta kiteytymällä ja metamorfinen kivi alkuperäisen kiven muuntuessa korkean paineen ja lämmön vaikutuksesta. Siinä missä sedimentti voi kerrostua matalaan merenlahteen, vaatii metamorfoosi usein vuorijonon muodostumisen sillä vasta tällöin saavutetaan olosuhteet, joissa kiven fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet voivat muuttua. Sulaa kiveä taas syntyy lämpötilan kohotessa riittävästi. Tällaiset olosuhteet vallitsevat esimerkiksi tulivuoren sisässä.

Magmaa, metamorfoosia ja sedimenttejä

Magmakivien synty alkaa syvällä Maan kuoressa tai vielä syvemmällä Maan vaipassa, jossa lämpötila ylittää kiviaineksen sulamispisteen. Tällöin kivi muuttuu magmaksi.  Magma sisältää sulaa kiveä, kaasuja sekä sulamattomia kivenpaloja. Ympäristöään kevyempi sula kivi alkaa kohota pintaa kohti. 

Jos magma jumiutuu matkalla, muodostaa se magmasäiliön eli batoliitin. Mikäli kivimassa jähmettyy magmasäiliöön syntyy intrusiivinen kivi. Batoliitissa kiven jäähtyminen voi kestää jopa miljoonia vuosia. Jos kiteytyminen tapahtuu todella hitaasti, ehtivät mineraalikiteet kasvaa suuriksi ja kiven tekstuurista tulee karkearakeinen. Kivikierroksen varrella on useita vaihtelevan raekoon omaavia intrusiivisia kivilajeja kuten graniitteja, dioriitteja, sekä tonaliitteja.

Päinvastainen tilanne magmakiven kiteytymisessä on aineksella, joka purkautuu tulivuoresta maanpinnalle. Kiteytyminen tapahtuu olosuhteista ja koostumuksesta riippuen tyypillisesti noin 700–1200 °C asteen lämpötilassa Tällöin jäähtyminen on todella nopeaa ja kiven tekstuurista tulee täysin tasainen. Silti intrusiivisen kiven mineraalikoostumus voi olla sama kuin maan sisässä kiteytyneellä kivellä. Syntyvä kivi luokitellaan ekstrusiiviseksi. Ekstrusiivisia magmakiviä ei juuri käytetä rakennuskivinä.

Kun lämpötila- ja paineolosuhteet kasvavat riittävän korkeiksi, niin kivet metamorfoituvat. Joissain tapauksissa myös fluidit, kuten hiilidioksidi, vaikuttavat prosessiin. Metamorfoosissa kivi ei sula, vaan se kiteytyy uudelleen. Uudelleenkiteytymisessä protoliitin (lähdekivi) kemiallinen koostumus ja fyysinen rakenne muuttuvat. Suomesta löytyviä metamorfisia kiviä ovat muun muassa Lapista louhittava marmori Kivikukkaron seinässä (kohde 14) sekä kvartsiitti Mehiläisen seinässä (kohde 5).

Metamorfoosia esiintyy tyypillisesti mannerten törmäysvyöhykkeillä, jossa kaksi litosfäärilaattaa kohtaa. Törmäyksessä vallitsevat valtavat voimat, jotka voivat johtaa jopa vuorijonon syntymiseen. Tämän vuoksi olosuhteet törmäysvyöhykkeellä ovat otolliset metamorfoosille. Suomen kallioperä on vuosimiljardien kuluessa joutunut lukuisiin vuorijononmuodostustapahtumiin, joten monet kallioperässämme esiintyvistä kivistä ovat luonteeltaan metamorfisia.

Sedimenttikivi muodostuu, kun rapautumisen, kulumisen tai muun prosessin tuloksena irronnut hieno kiviaines kerrostuu ja lopulta iskostuu. Sedimenttikivi voi muodostua myös eloperäisestä aineksesta, kuten kalkkikuorisista merenelävistä. Suomen kallioperä on hyvin vanhaa ja lisäksi lukuisat jäätiköt ovat pyyhkäisseet maamme yli. Näin ollen sedimenttikiviä on jäljellä hyvin vähän. Yksi tunnetuimmista esiintymistä on Satakunnan jotuninen hiekkakivi, jota voi paikoin tarkastella kallion rakosissa. Sedimenttikiven käyttö rakentamiseen on Suomessa melko vähäistä.

Sama kivi, monta ulkomuotoa

Täysin sama kivi voi saada monta erilaista ulkomuotoa riippuen siitä, miten se pintakäsitellään. Yleisimmät pintakäsittelyvaihtoehdot ovat kiillotus, mattahionta, polttaminen, ristipäähakkaus sekä lohkominen. Eri vaihtoehdoilla kiveen saadaan elävyyttä, jolloin samaa kivilajia voidaan käyttää esimerkiksi julkisivun koristelun eri osissa. Toisaalta myös käyttötarve saattaa määritellä pintakäsittelytavan: jalkakäytävällä kivi on syytä käsitellä karheaksi esimerkiksi hiekkapuhaltamalla, jottei se muutu liukkaaksi kastuessaan. Kivikierroksen puitteissa törmätään lähes kaikkiin yleisimpiin pintakäsittelytapoihin.