Elämme tulivuoren juurissa

Tiede lehti:

Suomen vankalla kallioperällä on takanaan rauhaton nuoruus. Täällä on ollut valtameri, tulivuorisaaria ja uhkeita poimuvuoria. Villit vaiheet tallentuivat kiviin geologien tulkittaviksi.

Jääkauden muovaaman saaristomaiseman keskellä on vaikea kuvitella, että meilläkin on joskus ollut tulivuoria ja Himalajan tyyppisiä poimuvuoristoja.

Peruskallio itse kuitenkin kertoo tarinaa levottomasta lapsuudestaan tropiikin tuliperäisillä saarilla ja tyrmäävistä nuoruusvaiheistaan keskellä mannerten kolaria.

Hurjuus näkyy rantakalliosta
Gåsgrundin kalliosta löysin selvän merkin valtavien massojen puserruksesta: tumman, u-kirjaimen muotoisen kiemuran, joka halkoo jään ja aaltojen silottamaa kalliota. Geologeille se on poimu, mutkalle painunut kivikerros ja todiste muinaisesta mannerten törmäyksestä.

Näytän valokuvaa poimusta professori Martti Lehtiselle, kokeneelle kivitutkijalle, joka hiljan jäi eläkkeelle Helsingin yliopiston Geologian museon johtajan tehtävistä. Tumma osuus poimun kyljillä on sarvivälkegneissiä. Sellaista syntyy, kun kivi muuttuu eli metamorfoituu törmäyksen kovassa paineessa ja kuumuudessa.

Samasta kalliosta näkyy, että ennen kuin kolari on rytännyt kivikerrokset, meillä on sauhunnut tulivuoria. Lehtisen harjaantunut silmä nimittäin paljastaa gneissin alkuperäksi tulivuoren purkaustuotteet: tuhkan ja räjähtäen sinkoutuneet kivisirut. Vaaleissa raidoissa hän näkee vielä tuhkaan sekoittunutta savea ja hiekkaa ja niiden perusteella hän arvioi purkaustuotteiden kerrostuneen matalaan veteen.

Tumman gneissipoimun yhteen kylkeen on tunkeutunut punertavanruskeaa graniittia. Katsotaanpa. Gneissi oli siis muodostunut tulivuorentuhkasta, joka on purkautunut maanpinnalle, mutta graniitin tiedetään syntyvän syvällä maankuoressa. Kiilan tavoin tunkeutumisesta kuitenkin näkee, että graniittijuoni on poimutusta nuorempi.

Jotta tällainen rakenne on voinut syntyä, tuhkakerrosten on täytynyt törmäyksessä hautautua valtavan syvälle kallioperän uumeniin. Siellä kivet alkoivat sulaa ja syntyi graniittista magmaa, jota pursui kallion halkeamiin. Niin saivat alkunsa Etelä-Suomen graniitit - piilossa kilometrien syvyydessä vuoriston juuriosissa.

Miten kaikki tämä oikein tapahtui, ja kuinka graniitit päätyivät pintaan?

Suomi halkesi valtamereksi
Valtamerestä se alkoi. Sellainen oli avautumassa Suomen poikki runsaat kaksi miljardia vuotta sitten, ja tuosta tapahtumasta käynnistyi Etelä-Suomen kallioperän kehitys. Täkäläinen vanha manner oli repeämässä, ja kamaramme muistutti nykyistä Itä-Afrikan hautavajoaman maisemaa.

Repeily alkoi jo noin 2,5 miljardia vuotta sitten, jolloin vanha manner sijaitsi trooppisilla leveyksillä päiväntasaajan eteläpuolella. Mantereen alle kertyi lämpöä, joka pani maapallon uloimman kerroksen eli litosfäärin tässä kohdin venymään ja natisemaan liitoksissaan. Maa järähteli, ja kun kivi lopulta antoi periksi, siihen aukesi railoja, joihin tunkeutui magmaa. Osa siitä purkautui ulos tulivuorista, osa jäi syvälle kallioperän onkaloihin. Maankuoren liikkeet synnyttivät kaakkois-luoteissuuntaisia kapeita repeämäaltaita, tulevan meren enteitä.

Vähä vähältä kuoren venytys jatkui ja vajoamalaaksot syvenivät ja levenivät. Noin 2,1 miljardia vuotta sitten merivesi täytti ne. Repeämäkohtaan alkoi kehittyä valtameren selänne, jossa erkaantuvien litosfäärilaattojen väliin pulppusi magmaa ja siitä syntyi uutta merenpohjaa.

Merenpohjaakin jäi talteen
Kappale täkäläistä merenpohjaa lähes kahden miljardin vuoden takaa on jopa säilynyt osana kallioperää Outokummussa ja Paltamon Jormualla. Tämä Jormuan ofioliitiksi kutsuttu merenpohjan kerrostumien poikkileikkaus on lajissaan ainutlaatuinen, sillä se on maailman vanhin täysin säilynyt ofioliitti. Se todistaa, että maapallon litosfäärilaatat liikkuivat ainakin jo noin varhain.

Merenpohjassa muodostui uutta kiveä muustakin kuin magmasta. Sitä mukaa kuin mantereiden kivet rapautuivat ja kuluivat, joet kuljettivat irronnutta ainesta valtamereen. Aikojen kuluessa mereen kerrostuneet sedimentit tiivistyivät ja kivettyivät. Näin syntyi sedimenttikiviä: esimerkiksi sorasta karkearakeista konglomeraattia, hiekasta hienompijakoista hiekkakiveä ja savesta sileän näköistä savikiveä.

Etelä-Suomi oli tulivuorisaarina
Valtameri laajeni edelleen, ja sen pohjalaattojen liikkeet nostivat tuliperäisiä saariketjuja, joiden rantoja trooppinen meri hyväili. Näiden Japania muistuttaneiden saarten kivestä alkoi muovautua Etelä-Suomen kallioperän päämassa.

Saarivaihe virisi, kun merenpohjalaatan vanhimmat osat ikääntyessään jäähtyivät ja tiivistyivät ja kävivät ympäristöään painavammiksi. Syntyi subduktio- eli alityöntövyöhykkeitä, joissa yksi laatan osa vajosi toisen alle.

Työntö ei sujunut rauhallisesti ja sulavasti, vaan maa järähteli ja tulivuoret purkautuivat. Kuumaan vaippaan painuvan laatan reuna alkoi sulaa ja vapautti nousevaa kiviainesta, joka matkallaan sulatti osittain myös yläpuolista merenpohjan laattaa. Siitä erkani erityyppisiä kivisulia, joista muodostui laatan alkuperäistä kiveä kevyempiä kivilajeja: toisin sanoen syntyi kevyemmän, mantereisen kuoren paloja.

Sitkaimmat sulat jäivät magmakammioihin kuoren sisään, ja niistä muodostui syväkiviä, kuten dioriittia ja graniittia. Näiden kivilajien kiderakenne erottuu paljaalla silmällä, koska kammioiden hitaan jäähtymisen ansiosta kiteet saivat kasvaa rauhassa.

Liukkaimmat sulat purkautuivat pinnalle tulivuorten kraattereista. Näin syntyi pintakiviä, kuten basaltteja, jotka laavan nopean jäähtymisen takia jäivät pienirakeisiksi.

Uusien pinta- ja syväkivien muodostamat mantereiset kuorenpalat kohosivat kevyempinä vanhaa merenpohjaa korkeammalle tulivuorisaariksi. Iäkkäimmät meiltä löydetyt noiden tulivuorten tuottamat kivet ovat noin 1,9 miljardia vuotta vanhoja.

Helsingissä hurjia purkauksia
Jälkien perusteella tulivuorisaarilla kalliot räjähtelivät pirstaleiksi, maahan satoi kiviä ja tuhkaa, ja ilmaan suihkusi laavaa.

Esimerkiksi Helsingin Kaivopuiston kallion koillisreunassa konserttiyleisö voi nykyään kaikessa rauhassa istuskella kivettyneeltä soralta näyttävän kiven päällä. Sora ei kuitenkaan koostu mistä tahansa murskeesta, vaan sen yli 64-milliset kivet ovat sataneet maahan tulisuihkun saattelemina vulkaanisina pommeina.

Lisäksi laavaa purkautui mereen. Vedenalaisesta jähmettymisestä jäi todisteeksi tyynylaavaa, jonka rakenne nimensä mukaisesti muistuttaa tyynykasaa. Sellaista syntyy, kun vesi jäähdyttää kivisulan pinnan niin äkkiä, ettei yhtenäistä laavavirtaa leviä, vaan merenpohjalle tursuaa kasa pötkylöitä kuin jättiläisen hammastahnaputkilosta. Pötkylöiden pintaan ei ehdi muodostua kiteitä lainkaan, joten jäähtymiskuoresta tulee lasimainen kerros. Se ja tyynyjen väliin kertynyt pehmeämpi, helpommin kuluva kivi paljastavat muinaisen tyynylaavan muodot nykykallioissa.

Suomi kasvatti omat alpit
Seuraavaksi Suomeen nousi uhkea poimuvuoristo. Tämä tapahtui 1,9-1,8 miljardia vuotta sitten, kun trooppiset saarikaaret kolaroivat toistensa ja vanhan mantereen kanssa ja hitsautuivat lopulta kaikki yhteen meidän tuntemaksemme Suomen kamaraksi.

Törmäyksiä edeltänyttä trooppista merivaihetta kesti runsaat 200 miljoonaa vuotta. Sinä aikana litosfäärin liikkeet kuljettivat vanhan mantereen etelästä Kauriin kääntöpiirin tienoilta päiväntasaajan yli lähelle Kravun kääntöpiiriä. Ajan mittaan alityöntövyöhykkeet alkoivat niellä litosfäärilaattaa nopeammin kuin uutta merenpohjaa syntyi. Meri alkoi kutistua. Tuliperäiset saariketjut ajautuivat kohti mannerta.

Mantereen ja saarikaarten törmäyksessä litosfäärilaatat puskivat yhteen, mikä tuotti hurjan paineen ja kuumuuden. Miedommissa oloissa syntyneet mineraalit kävivät pysymättömiksi, hajosivat ja reagoivat keskenään. Syntyi metamorfisia kiviä, kuten liuskeita ja gneissejä.

Myös kivimassojen järjestys sekoittui perusteellisesti. Kerrostumat pirstoutuivat, hajaantuivat ja likistyivät toisiaan vasten. Maan pinnalla syntyneet kivet saattoivat hautautua syvälle toisten alle, niin ettei enää ole itsestään selvää, mikä oli alun perin alla ja mikä päällä.

Kun kerrokset puristuksessa taipuivat ja ruttaantuivat, ne saattoivat jopa nousta pystyyn. Esimerkiksi joissakin tienvarsien kallioleikkauksissa näkee tästä kieliviä pystyjä raitoja. Myös tiukasti poimuttuneet kiharaiset kerrokset ovat helposti havaittavia rutistuksen muistomerkkejä.

Valtavan törmäyksen näkyvin vaikutus oli kuitenkin koko maankuoren paikallinen paksuneminen. Se kohosi korkeuksiin.

Graniitit kypsyivät jälkilämmössä
Syvällä poimuvuoriston kätköissä muodostui valtaosa Etelä-Suomen nykyisistä graniiteista.

Niiden syntyaikoihin, runsaat 1,8 miljardia vuotta sitten, kallioperän rutistuminen ja kivien metamorfoosi olivat voimakkaimmillaan. Poimuvuoriston tyviosat painuivat syvälle kuumaan vaippaan, missä ne sulivat ja lähettivät magmaa kohoamaan kohti pintaa.

Magman nousu ja viimeisten saariketjujen puskeminen päin mannerta nostivat lämpötilan kuoressa niin korkeaksi, että myös vuoren uumeniin hautautuneet savisedimenttiperäiset liuskeet ja gneissit alkoivat sulaa.

Gneisseistä erkani noin 650 asteessa kivipuuroa, sitkasta graniittista sulaa, joka erottui sulamattomasta osasta omiksi raidoikseen tai lähti liikkeelle ja kertyi kiven rakoihin suoniksi, pieniksi silmiksi tai isoiksi linsseiksi.

Syntyi graniitteja sekä migmatiitteja eli seoskiviä, jotka koostuvat vaaleasta graniittisesta ja tummasta gneissisestä osasta.

Mihin hävisi 18 kilometriä kiveä?
Samaa vuorten kivisulasta kiteytynyttä graniittia kohtasin kesäretkellä Gåsgrundin rantakalliolla. Tuntuu uskomattomalta, mutta runsaat 1,8 miljardia vuotta sitten auringonottokallioni piileskeli vielä 18 kilometrin syvyydessä, silloisissa sopivissa oloissa graniittien ja migmatiittien syntymiselle. Siellä pimennossa vanhojen tulivuorten ja vastakohonneen poimuvuoriston juuriosissa kehittyi meille tuttu peruskallio.

Nykyisin Suomen korkokuvassa ei enää näy jälkeäkään poimuvuoristosta. Itse asias¬sa niin on ollut jo yli puoli miljardia vuotta: ainakin eläinkunnan aamusta eli kambrikauden alusta lähtien. Siihen mennessä eroosio oli paljastanut graniitit, joiden harteilla vuoret lepäsivät. Tämä tiedetään siitä, että samojen graniittien päällä on paikoin säilynyt kerrostuneina kambrikautisia sedimenttejä. Runsaassa miljardissa vuodessa eroosio oli höylännyt kallioperästä tuon 18 kilometriä.

Olivatko vuoremme siis kaksi kertaa Everestin korkuisia? Eivät sentään, vaan syvät juuret nousivat ylemmäs sitä mukaa kuin huiput kuluivat matalammiksi. Nousu johtui maankuoren pyrkimyksestä tasapainotilaan.

Maankuori nimittäin kelluu itseään tiiviimmän vaipan päällä vähän kuin veteen asetettu laudankappale. Kun sen päälle pinoaa toisen laudan, tulos kyllä kelluu korkeampana mutta samalla sen pohja alkaa uida syvemmällä. Kooste hakeutuu uuteen tasapainotilaan, jossa uponneeseen osaan kohdistuva noste on yhtä suuri kuin koko kappaleen paino. Kappaleissa, joiden tiheys on sama, uintisyvyys riippuu siis paksuudesta. Niinpä jos toinen lauta taas nostetaan pois, lautasaari madaltuu ja samalla sen juuriosien uppoama pienenee.

Kelluvan lautapinon rakentamista ja purkamista vastaava ilmiö tapahtui Suomenkin maankuorelle, kun se ensin törmäyksessä paksuni ja alkoi sitten pinnastaan kulua. Vähitellen sen alaosa kohosi ja meidän tutut graniittimme näkivät päivänvalon.

Jääkausi vain puhdisti pinnat
Paljon myöhemmin jääkaudet hioivat omat merkkinsä maankuoreen. Muistan Gåsgrundin silokallion uurteet.

Olivathan ne vaikuttavia, mutta nykyisin ne tiedetään pelkäksi pintasilaukseksi. Geologien arvioiden mukaan jää poisti kalliosta vaivaiset seitsemän metriä: lähinnä puhdisti rapautumispinnat. Samalla se kyllä lakaisi peruskallion päältä lähes kaikki elämän historian arkistot, sikäli kuin niitä oli täällä paljon ollutkaan.

Noin 10 000 vuotta sitten vetäytyvän jäätikön alta paljastui alaston kallio, josta sen muinaisimmat vaiheet ovat nyt vapaasti luettavissa.

Martti Lehtinen vertaakin maankamaraamme historiankirjaan, josta on jäljellä vain ensimmäinen ja viimeinen sivu eli kallioperä ja sen päälle viime jäätiköitymisen jälkeen kerrostunut maaperä. Meillä on niukasti elämän kehityksestä kertovia fossiileja, mutta sen sijaan geologimme pääsevät perehtymään kallioperän syntyprosesseihin, jotka liki kaksi miljardia vuotta sitten jylläsivät syvällä pinnan alla.

Eeva Mäkelä on filosofian tohtori, geologi ja vapaa toimittaja.

Kolari ruttasi mantereet

Pääteksti kertoo Etelä- ja Länsi-Suomen kallioperästä, uudesta mantereesta, jonka pääosa sai alkunsa valtameren tulivuorisaarina noin 1,9 miljardia vuotta sitten.

Hajanaiset osat Pohjois- ja Itä-Suomea edustavat puolestaan vanhaa mannerta, joka syntyi jo 3,1-2,6 miljardia vuotta sitten eri-ikäisten mannersaarekkeiden yhdistyessä.

Sauma vanhan ja uuden välillä kulkee osapuilleen linjalla Oulu-Joensuu, mutta vanhan mantereen ja saariketjujen kolari ruttasi ja pirstoi kerrokset niin pahasti, että on mahdotonta sanoa, missä vanhan valtameren rantaviiva kulki.

Kallioperämme onkin kuin kokoamistaan odottava geologinen palapeli: röykkiöittäin sinne tänne lennelleitä magmakerrosten ja sedimenttipatjojen sirpaleita, joiden mineraalit ovat vielä törmäyksessä muuttuneet toisiksi.
Lähes 150 vuotta jatkunut järjestelmällinen kallioperäkartoitus on johdattanut suomalaisgeologit syntyhistorian jäljille. Lisäapuna ovat olleet geofysikaaliset mittaukset, joilla on saatu tietoa pintaa syvemmältä.

Geofysikaalisista mittauksista tarkemmin: Kurkistettin Suomen alle, Tiede 6/2005, s. 46-49, tai tiede.fi/arkisto

Miten muinaisuus tunnetaan?

- Muinaisten mannerten liikkeitä päätellään tutkimalla kallion magneettisia mineraaleja. Aikanaan kivisulassa ne järjestyivät vallitsevassa magneettikentässä kuin kompassineulat. Sulan kiteytyessä suuntaus jäi pysyväksi. Sitä tulkitsemalla saa selville sekä magneettisten napojen suunnan kiteytymishetkellä että leveysasteen, jolla manner sijaitsi.

- Kallioperän tapahtumien järjestyksestä saadaan osviittaa tarkastelemalla erilaisten kerrosten järjestystä. Esimerkiksi poimuttuneen aineksen on täytynyt kerrostua ennen poimutusta, ja toisten lomaan tunkeneet rakenteet ovat viimeisiä tulokkaita.

- Tarkkaa ajoitusta varten kiven ikä määritetään sen sisältämien radioaktiivisten isotooppien avulla. Kun tietyn isotoopin puoliintumisaika tunnetaan, voidaan alkuperäisen radioaktiivisen isotoopin ja kiveen kertyneen pysyvän hajoamistuotteen suhteesta laskea kiven ikä.

Miten leveysaste määritetään magneettikentän voimaviivojen suunnan perusteella eli inklinaatiokompassin toimintaperiaate: ks. Tiede 4/2008, s. 46.

Isoissa myllerryksissä laattoja syntyy ja häviää

- Maapallon jäykkä uloin kerros eli kuoren ja vaipan yläosan muodostama litosfääri koostuu laatoista, jotka kelluvat allaan olevassa vaipassa ja liikkuvat toistensa suhteen.

- Merellinen kuori koostuu tiheämmästä kivestä kuin mantereinen kuori ja on myös ohuempi. Siksi merellinen litosfääri kelluu vaipassa syvemmällä ja muodostaa merenpohjaa, kun paksumpi mantereinen litosfääri kohoaa kuivaksi maaksi.

- Ajan mittaan uusia laattoja syntyy ja vanhoja yhdistyy tai vaippaan vajoamalla häviää. Merellistä kuorta syntyy valtamerten keskiselänteillä vaipasta pursuavasta magmasta. Mantereista kuorta syntyy alityöntövyöhykkeillä alas painuvan laatan ja sen päälle kertyneiden sedimenttien sulaessa.

Laattojen liikkeistä tarkemmin: Kohti uutta Pangaiaa, Tiede 9/2007, s. 16-21, tai.tiede.fi/arkisto sekä nettiekstra tiede.fi/lehti/laatat

Kivi muistaa syntynsä olot.

Laattojen törmäyksissä kivet muuttuvat, ja jälkeenpäin niistä näkee höykytyksen määrän. Kun paine ja kuumuus lisääntyvät, mineraalit reagoivat keskenään synnyttäen uusille oloille tyypillisiä mineraaliseurueita. Kun rutistus heikkenee, ne eivät enää muutu.
Esimerkiksi veteen kerrostuneesta hienorakeisesta savesta tulee ensin liuskeita ja siellä, missä paine ja kuumuus edelleen kohoavat, lopulta gneissejä ja migmatiitteja.

Kiviä syntyy neljällä tavalla

- Sedimenttikivet eli kerrostuneet kivet syntyvät, kun aiempien kivien rapautumistuotteet kasautuvat kerroksiksi, jotka tiivistyvät ja kivettyvät päällä makaavien kerrosten painon alla. Raekoosta riippuen esimerkiksi konglomeraatti, hiekkakivi ja savikivi.

- Syväkivet syntyvät hitaasti kallioperän uumenissa, missä niiden kiteillä on aikaa kasvaa silmin näkyviksi. Esimerkiksi graniitti ja dioriitti.

- Pintakivet eli vulkaaniset kivet syntyvät pinnalle purkautuvasta magmasta, joka jäähtyy niin nopeasti, että kiteet usein jäävät mikroskooppisiksi. Esimerkiksi basaltti.

- Metamorfiset eli muuttuneet kivet syntyvät, kun aiemmat kivet joutuvat voimakkaaseen puristukseen tai kuumuuteen. Esimerkiksi gneissi ja liuske.

Löydä Helsingin migmatiitit

Etelä-Suomessa migmatiitit eli graniitin seostamat gneissit ovat hyvin yleisiä. Niitä syntyi poimuvuoristomme juuriosien sulaessa runsaat 1,8 miljardia vuotta sitten.

Tyypillinen migmatiitti, punertavien graniittisuonien halkoma tumma gneissi, on helppo tunnistaa. Mutta migmatiitteja on joka lähtöön.

Esimerkiksi vanha gneissi näkyy toisinaan riekaleina vaalean graniitin lomassa tai sitten erottuu enää luikertavina haamujuovina, kuten Hangon graniitissa. Hangon graniittia voi ihailla Hangon länsisatamassa mutta myös siitä rakennetun Helsingin rautatieaseman ulkoseinissä.

Myös raitaiseen migmatiittiin voi tutustua Helsingin ydinkeskustassa. Sitä on käytetty esimerkiksi Pohjois-Esplanadin jalkakäytävien ja Kampin Narinkkatorin päällystämiseen.

Lisäksi Keisarinnankivi keskellä Kauppatoria ja Esplanadin puistossa sijaitsevan Runebergin patsaan jalusta ovat migmatiittia.

Kallioperäkohteissakin on valinnanvaraa, onhan migmatiitti Helsingin pääkivilaji. Kaupunkikävelyllä on helpointa suunnata Kaivopuistoon. Siellä tummassa migmatiittigneississä erottuu selvästi vaaleanpunaisia graniittisuonia.