Perusteita

Tulivuorten sisuksista purkautuvat magmat eli kivisulat ovat saaneet alkunsa maapallon vaipassa tai kuorikerroksen alaosissa useiden kymmenien tai jopa satojen kilometrien syvyydellä. Ne ovat kohdanneet pitkän matkansa aikana erilaisia niiden koostumusta ja olemusta muokanneita tapahtumia.

Kivisulat, jotka eivät selviä maanpinnalle asti vaan jäävät jumiin kallioperän rakoihin tai tulivuoria ruokkiviin magmakammioihin, kiteytyvät ja jähmettyvät hiljalleen karkearakeisiksi syväkiviksi (esim. graniitti). Tällaisia syväkivistä koostuvia enemmän tai vähemmän terävärajaisia kokonaisuuksia kutsutaan intruusioiksi. Kallioperän muokkautuessa ja kuluessa intruusiot voivat paljastua kilometrien syvyydeltä maapallon pinnalle. Näin ovat syntyneet monet Suomenkin kallioperää hallitsevista syväkivistä.

Suurissa ja valtavan lämpöenergian omaavissa magmakammioissa kivisulat kokevat merkittävimmät muutoksensa: niistä erottuu korkeissa lämpötiloissa kiteytyviä mineraaleja ja ne alkavat lämmittää ja sulattaa niiden kanssa kontaktissa olevia kuoren kiviä eli sivukiviä. Sivukivet voivat olla mitä tahansa kivilajeja, joita sattuu olemaan magmakammion läheisyydessä (esim. hiekkakivi, liuske, vanhemmat syväkivet). Sivukivien ja niiden osittaisten sulien sekoittumista magmaan kutsutaan assimilaatioksi.

Mineraalien erottuminen kivisulasta on erityisen tehokasta vaippaperäisissä magnesium- ja rautarikkaissa kivisulissa, jotka eivät ole kovin sitkaita. Tällöin eri mineraalit tai niiden muodostamat seurueet voivat helposti erottua kerroksiksi magmakammion eri osiin. Tällä tavoin muodostuneita intruusioita kutsutaan kerrosintruusioiksi. Esimerkiksi Kemin kaivoksen kromimalmia louhitaan yli kaksi miljardia vuotta vanhan kerrosintruusion niistä kerroksista, joihin on erottunut kromirikkaita mineraaleja.

Projektin kuvaus ja tavoitteet

Tämän projektin nimi on suomeksi “Osittaisen sulamisen prosessit kerrosintruusioiden kontaktivyöhykkeissä“. Kuuman kivisulan ja sitä ympäröivan sivukiven vuorovaikutus kilometrien syvyydellä magmakammioissa (assimilaatio) ei ole ainoastaan kriittinen prosessi kivisulan kehityksen kannalta. Se on merkittävä tekijä myös monien taloudellisesti merkittävien ja kerrosintruusioihin liittyvien jalo- ja perusmetalliesiintymien synnyssä. Assimilaation aiheuttamat muutokset kivisulan koostumuksessa voivat saada aikaan esimerkiksi rikki- ja metallipitoisten liuosten ja mineraalien erottumista sulasta.

Vaikka tämän prosessin tärkeys on tiedossa, sen etenemisestä ja erilaisten intruusioiden ja malmimuodostumien syntyyn johtavista fysikaalisista ja kemiallisista reunaehdoista ei ole yksityiskohtaista tietoa. Tutkimusta on hankaloittanut fysiikkaa (etenkin termodynamiikkaa eli lämpöoppia) ja kemiaa yhdistävien laskennallisten mallien puute. Esimerkiksi puhtaasti kemiallisia malleja on aikaisemmin tuotettu ottamatta huomioon kivisulasta saatavilla olevaa lämpöenergiaa tai sivukiven lämpenemistä ja osittaista sulamista. Näin saaduilla tuloksilla ei välttämättä ole mitään tekemistä luonnossa tapahtuvien prosessien kanssa.

Tässä projektissa aiomme tutkia kivisulan ja sivukiven vuorovaikutusta merkittävissä maanpinnalle paljastuneissa intruusioryhmissä esimerkiksi Etelämantereella, Yhdysvalloissa ja Suomessa. Käytämme hyväksi aivan äskettäin kehitettyjä tietokonemalleja, joille voi antaa sekä kemiallisia että fysikaalisia reunaehtoja (esim. magman ja sivukiven koostumus ja lämpötila). Mallien sovellettavuutta tarkastellaan kivistä kerätyn kemiallisen aineiston ja sivukivien sulatuskokeiden avulla. Sulatuskokeissa intruusioista ja niiden sivukivistä kerätyt näytteet asetetaan laboratoriossa samanlaisiin olosuhteisiin kuin ne olisivat magmakammiossa tai sen läheisyydessä. Sulatuskokeissa muodostuneita mineraaleja ja sulia (jotka jähmetetään lasiksi altistamalla ne nopeasti kylmälle vedelle) voidaan kokeen jälkeen tutkia erilaisilla analyysilaitteistoilla.

Tässä mittakaavassa geologiaa, kemiaa ja fysiikkaa yhdistävä tutkimus on uutta ja odotamme sen tarjoavan merkittävää tietoa suurten magmakammioiden kehityksestä ja niihin liittyvien malmiesiintymien synnystä. Odotamme vastauksia mm. seuraaviin kysymyksiin: Kuinka suuri määrä magmaa tarvitaan tietyn sivukiven sulattamiseen? Miten kammioon tulevat uudet magmapulssit ja assimilaatio vaikuttavat kivisulasta kiteytyviin mineraaleihin ja kivisulan koostumukseen? Miten metallit ja muut alkuaineet jakautuvat magman ja sivukiven välillä? Minkälaisia magmoja ja sivukiviä tarvitaan malmiesiintymien muodostumiseen ja miten tätä tietoa voisi hyödyntää malminetsinnässä?

Tekstiä selventävä kaavakuva löytyy alta. Tutkimusta rahoittaa Suomen Akatemia.

(Tämän artikkelin yleistajuistamisessa ovat avustaneet Salla-Maaria Laaksonen, Ulla Heinonen, Elina Vaara, Malviina Hallamaa, Natalia Kettunen ja Antti Niskanen)