Geologiaa helposti Käsikirja opettajille geologian perusteista ja maankuoren luonnonvarojen kestävästä käytöstä

Geologiaa helposti Käsikirja opettajille geologian perusteista ja maankuoren luonnonvarojen kestävästä käytöstä 1. Johdanto 3 2. Geologia opetuksessa A. Geologia ja opetussuunnitelma 5 B. Luonnontieteet ja yhteiskunta 7 3. Geologiaa oppimaan! A. Keskeiset käsitteet 9 B. Geologiset prosessit 17 4. Maankuoren luonnonvarojen merkitys ja kestävä käyttö A. Maankuoren luonnonvarojen merkitys 27 B. Maankuoren luonnonvarojen kestävä käyttö 31 5. Tehtäviä ja ideoita opetukseen A. Kivet ja mineraalit 34 B. Geologiset prosessit 42 C. Kiven merkitys ja käyttö 54 D. Maankuoren luonnonvarat ja niiden kestävä käyttö 61 E. Linkkejä ja vinkkejä 92 Oppilaiden tehtäväsivut ja valokuvaliitteet 2

1. JOHDANTO Miksi geologiaa? Oletko tullut ajatelleeksi, että geologian sisällöt ja ilmiöt ovat läsnä arjessamme joka päivä? Kullakin alueella reunaehdot elävälle luonnolle asettaa paitsi ilmasto, myös alueen kallio- ja maaperä, pinnanmuodot ja geologiset prosessit. Alueen geologiset ominaisuudet vaikuttavat pitkälti alueen kasvillisuuteen ja sitä kautta myös muuhun eliöstöön. Geologiset ominaisuudet luovat myös alueen maisemalliset ominaispiirteet. Lisäksi ne ovat olleet tärkeitä tekijöitä asutuksen, maankäytön ja elinkeinojen kehittymisessä. Paitsi luonnon ja maiseman muodossa, geologian sisällöt ovat elämässämme läsnä myös välillisesti, tuotteissa ja materiaaleissa. Maankuoresta saatavat raaka-aineet ovat oleellisen tärkeitä ihmiskunnalle. Olemme riippuvaisia biologisen luonnon ohella myös geologisen luonnon resursseista ja niiden hyödyntämisestä. Geologiset luonnonvarat ovat merkittäviä energia- ja raakaainelähteitä. On tärkeää ymmärtää niiden arvo ja noudattaa ekologisesti kestävän käytön periaatetta niiden hyödyntämisessä. Geologialla on merkitystä myös siksi, että geologista tietoa tarvitaan monissa yhteiskunnan toiminnoissa ja päätöksenteossa, esimerkiksi kaavoitukseen, maankäyttöön ja rakentamiseen liittyvissä asioissa. Myös maankuoren luonnonvarojen, kuten malmiesiintymien, soravarojen tai vaikka pohjaveden, kartoittamiseen ja kestävään käyttämiseen tarvitaan geologian alan osaamista. Mitä geologia on? Geologia on tieteenala, joka tutkii maapalloa ja sen koostumusta, rakennetta ja historiaa. Geologia tutkii myös maapallon muotoutumiseen vaikuttavia tapahtumia ja maan pintaa muokkaavia luonnonilmiöitä. Myös näiden ilmiöiden ja prosessien vaikutukset ihmiskunnalle ovat geologian kiinnostuksen kohteena. Geologian alaan kuuluvat siis esimerkiksi kivet ja mineraalit, kiviä synnyttävät prosessit, maaperä ja kallioperä, pinnanmuodot, maapallon rakenne, maapallon historia, jääkaudet, maanjäristykset, tulivuoren purkaukset ja mannerlaattojen liikunnot. 3

Saatteeksi Geologia ja sen aikaskaalat voivat olla haasteellisia ymmärtää. On vaikea ymmärtää huikean pitkiä ajanjaksoja, kuten tuhat miljoonaa vuotta, tai miljoonien vuosien aikana tapahtuvia geologisia prosesseja. Lisäksi geologiaan liittyvä sanasto koetaan usein vaikeaksi. Tämä käsikirja pyrkii kertomaan geologian perusilmiöistä ja käsitteistä kansantajuisesti. Käsikirja on suunnattu erityisesti opettajille. Käsikirjan punaisena lankana on maankuoren luonnonvarojen merkitys ihmiskunnalle ja niiden kestävä hyödyntäminen. Luonnonvarojen kestävä käyttö on ehtona luonnon monimuotoisuuden ja ekosysteemien toimivuuden säilymiselle. Luonnonvarojen kestävällä käytöllä luodaan edellytykset sille, että seuraavillakin sukupolvilla on mahdollisuus hyvinvointiin ja luonnonvarojen kestävään käyttöön. Käsikirja sisältää erilaisia tehtäviä kouluun. Tavoitteena on, että tehtävien avulla oppilas oppii paitsi perustietoja geologiasta, myös ymmärtää maankuoren luonnonvarojen merkityksen ihmiselle ja yhteiskunnalle. Tavoitteena on, että oppilas ymmärtää myös oman toimintansa yhteyden luonnonvarojen käyttöön. Tarkoituksena on siis lisätä ympäristötietoisuutta ja edistää ympäristövastuullisia toimintatapoja. Toivomme antoisia hetkiä geologian opiskelun parissa. Säilytetään maapallo elinkelpoisena myös tuleville sukupolville! Tekijät Tekstit Seija Juntunen, Itä-Suomen yliopisto, Soveltavan kasvatustieteen ja opettajankoulutuksen osasto Asiatarkastus Satu Hietala, Geologian tutkimuskeskus GTK Kuvat ja kaaviot GTK, Seija Juntunen, Eetu Varis, Travis Linville ja Seppo Leinonen Ulkoasun suunnittelu (oppilaiden sivut) Eetu Varis Käsikirjan tekemiseen on saatu avustus Ympäristöministeriöltä Aineistossa käytettyjen Internet linkkien toimivuus on tarkistettu elokuussa 2012. Jos linkeissä käytettyjä alkuperäisiä lähteitä on muutettu tai poistettu sen jälkeen, linkit eivät välttämättä toimi. 4

2. GEOLOGIA OPETUKSESSA 2 A) Geologia ja opetussuunnitelma Geologian aihealueet sisältyvät useimmiten ympäristö- ja luonnontiedon ja maantiedon opetukseen, mutta geologisia teemoja sisältyy osin myös fysiikan ja kemian opetussuunnitelmaan. Geologiaan liittyviä teemoja voi käsitellä myös yhteiskuntaopissa. Lisäksi aihekokonaisuus Vastuu ympäristöstä, hyvinvoinnista ja kestävästä tulevaisuudesta pitää sisällään luonnonvarojen kestävän käytön. Aihekokonaisuuden myötä geologiset luonnonvarat ja niiden kestävä käyttö ovat yhdistettävissä minkä tahansa oppiaineen opetukseen! Ympäristö- ja luonnontieto Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteiden (2004) mukaan ympäristö- ja luonnontieto - oppiaineessa tavoitteena on mm., että oppilas oppii tuntemaan oman lähiseudun luontoa ja rakennettua ympäristöä sekä suojelemaan luontoa ja säästämään energiavaroja. Näihin molempiin geologiset teemat kuuluvat yhtenä osana. Keskeisten sisältöjen osalta ympäristö- ja luonnontiedossa mainitaan elottoman ja elollisen luonnon peruspiirteet. Ympäristö- ja luonnontieto sisältää myös aihealueen arkielämään kuuluvia aineita ja materiaaleja sekä niiden säästävä käyttö ja kierrätys. Biologia ja maantieto (5-6 luokat), sekä maantieto (7-9 luokat) Maantiedon opetuksessa tarkastellaan maapalloa ja sen erilaisia alueita. Opetuksen tulee auttaa oppilasta ymmärtämään luonnon ja ihmisen toimintaan liittyviä ilmiöitä ja niiden välistä vuorovaikutusta eri alueilla. Selkeimmin geologiset teemat tulevat mukaan yläkoulun maantiedossa. Opetussuunnitelman perusteiden mukaan maantiedon opetuksen yhtenä tavoitteena luokilla 7-9 on, että oppilas oppii ymmärtämään maanpintaa muokkaavien tekijöiden vaikutuksen maisemassa. Tavoitteena on myös, että oppilas oppii tuntemaan ja arvostamaan Suomen luonnonympäristöä ja rakennettua ympäristöä. Geologiset teemat sisältyvät näihin molempiin, esimerkiksi pinnanmuodot osana luonnonympäristöä, ja kivi ja muut maankuoren materiaalit osana rakennettua ympäristöä. Yläkoulun maantiedon keskeisissä sisällöissä on mukana myös Maa ihmisen kotiplaneettana sekä maapallon sisäiset ja ulkoiset tapahtumat. Fysiikka ja kemia (5-6 lk) Fysiikan ja kemian opetuksen tavoitteena luokilla 5-6 on mm. että oppilas oppii tekemään havaintoja ja mittauksia sekä etsimään tietoa tutkittavasta kohteesta. Tavoitteena on myös oppia tekemään yksinkertaisia luonnontieteellisiä kokeita, joissa selvitetään ilmiöiden, eliöiden, aineiden ja kappaleiden ominaisuuksia. Geologiset materiaalit osaltaan sopivat hyvin edellä mainittujen havaintojen, mittausten ja luonnontieteellisten kokeiden kohteeksi. Keskeisissä fysiikan ja kemian sisältöalueissa luokilla 5-6 mainitaan maaperästä saatavien aineiden luokittelu sekä elinympäristöön kuuluvien aineiden ja tuotteiden alkuperä, käyttö ja kierrätys. 5

Fysiikka (7-9 lk) Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteiden (2004) mukaan fysiikan opiskelun tulee mm. antaa valmiuksia tehdä jokapäiväisiä valintoja erityisesti energiavarojen käyttöön ja ympäristön suojeluun liittyvissä asioissa. Fysiikan opiskelun tavoitteena luokilla 7-9 on mm., että oppilas oppii luonnon tutkimisen taitoja, kuten havaintojen ja päätelmien tekemistä sekä vertailua ja luokittelua. Lisäksi tavoitteena on, että oppilas oppii tuntemaan luonnonilmiöitä ja prosesseja sekä ymmärtämään ilmiöiden syy-seuraussuhteita. Kemia (7-9 lk) Opetussuunnitelman perusteiden mukaan kemian opetuksen tulee antaa oppilaalle valmiuksia tehdä jokapäiväisiä valintoja ja keskustella erityisesti energian tuotantoon, ympäristöön ja teollisuuteen liittyvistä asioista sekä ohjata oppilasta ottamaan vastuuta ympäristöstään. Yhtenä tavoitteena on, että oppilas oppii aineiden kiertokulkuun ja tuotteiden elinkaareen liittyviä prosesseja sekä niiden merkityksen luonnolle ja ympäristölle. Opiskeltavia sisältöjä ovat esimerkiksi tärkeimmät maankuoresta saatavat alkuaineet ja yhdisteet ja niiden ominaisuuksia sekä tuotteiden valmistus, käyttö, riittävyys ja kierrätettävyys. Yhteiskuntaoppi (7-9 lk) Yhteiskuntaopin opetuksen tehtävänä on ohjata oppilasta kasvamaan yhteiskunnan aktiiviseksi ja vastuulliseksi toimijaksi. Yhteiskuntaopin opetuksen tulee antaa perustiedot ja -taidot kansalaisen vaikutusmahdollisuuksista. Yhtenä tavoitteena on, että oppilas oppii tarkastelemaan ja kehittämään osaamistaan vastuullisena kuluttajana ja yhteiskunnallisena toimijana. Maankuoren luonnonvarojen kestävä käyttö kytkeytyy vastuullisen kuluttamisen teemaan. Lisäksi yhteiskunnalliseen osallistumiseen liittyy esimerkiksi maankäytön kysymykset, joissa päätösten tekemiseksi tarvitaan geologista tietoa. Aihekokonaisuus Vastuu ympäristöstä, hyvinvoinnista ja kestävästä tulevaisuudesta Aihekokonaisuuden päämääränä on lisätä oppilaan valmiuksia ja motivaatiota toimia ympäristön ja ihmisen hyvinvoinnin puolesta. Perusopetuksen tavoitteena on kasvattaa ympäristötietoisia, kestävään elämäntapaan sitoutuneita kansalaisia. Aihekokonaisuuden tavoitteena on, että oppilas oppii mm. ymmärtämään ympäristönsuojelun välttämättömyyden, arvioimaan oman kulutuksensa ja arkikäytäntöjensä vaikutuksia ja omaksumaan kestävän kehityksen edellyttämiä toimintatapoja. Keskeisiä sisältöalueita ovat mm. yksilön ja yhteisön vastuu elinympäristön tilasta, ympäristöarvot ja kestävä elämäntapa sekä toivottava tulevaisuus ja sen edellyttämät valinnat ja toiminta. Sisältöalueista mainitaan myös tuotteen elinkaari sekä ekotehokkuus tuotannossa ja yhteiskunnassa sekä arjen toimintavoissa. Näiden teemojen käsittelyssä voidaan käyttää esimerkkeinä maankuoren luonnonvaroja ja niistä valmistettuja tuotteita. 6

2 B) Luonnontieteet ja yhteiskunta Yksi luonnontieteiden myös geologisten aiheiden - oppimista tukeva lähestymistapa on kytkeä luonnontieteellinen tieto ja opiskeltavat sisällöt yhteiskunnallisiin aiheisiin ja todellisiin arkielämän tilanteisiin. Tavoitteena on, että opiskeltava luonnontieteellinen tieto ei jää irralliseksi, vaan kiinnittyy oppilaan olemassa oleviin tietorakenteisiin. Tavoitteena on myös, että oppilas osaa soveltaa oppimaansa luonnontieteellistä tietoa arkielämän tilanteissa. Yksi perusopetuksen laajempi tavoite on kasvattaa aktiiviseen kansalaisuuteen ja vastuullisiin toimintatapoihin. Myös luonnontieteiden opetuksessa tämä tulisi olla yhtenä tavoitteena. Yhteiskunnallisiin aiheisiin liittyvän luonnontieteiden opetuksen tavoitteena on auttaa oppilasta saavuttamaan itselleen sellaiset tiedot, taidot ja toimintatavat, joilla hän voi tehdä päätöksiä ja järkeviä valintoja, ratkaista ongelmia ja toimia vastuullisena kansalaisena. Miten toteutan yhteiskunnallisiin aiheisiin liittyvää luonnontieteiden opetusta? Tässä lähestymistavassa luonnontieteiden opetus aloitetaan arkielämän ilmiöistä ja asioista, joista edetään kohti luonnontieteen ilmiöitä ja käsitteitä. Esimerkiksi kivien osalta, opiskelu aloitetaan esimerkiksi tutustumalla niihin oppilaan omassa arkielämän ympäristössä, vaikkapa havainnoimalla kiven käyttökohteita lähiympäristössä. Tämän jälkeen oppilaat ehkä jo valmiiksi aiheeseen motivoituneina - tarkastelevat ja tutkivat kiviä tarkemmin ja opiskelevat luonnontieteelliset oppisisällöt. Oppilaat voivat tehdä havaintoja käyttämällä aistejaan ja yksinkertaisia tutkimusvälineitä sekä tehdä pienimuotoisia luonnontieteellisiä kokeita. Tämän jälkeen on tärkeä palata vielä yhteiskunnallisiin näkökulmiin, eli tässä esimerkissä esimerkiksi kivien merkitykseen ja käyttöön yhteiskunnassa. Samalla kiinnitetään opitut tiedot arkielämään ja oppilaan omaan lähiympäristöön. Lopussa on tärkeää myös antaa oppilaille valmiuksia toimia ja tehdä kestäviä valintoja omassa elämässään, esimerkiksi luonnonvarojen käytön suhteen. Esimerkki yhteiskunnallisiin aiheisiin liittyvästä opiskelusta koskien kiviä tai laajemmin maankuoren luonnonvaroja: Aluksi oppilaiden ennakkokäsitysten selvittäminen, ks. s. 34. 1. vaihe: Yhteiskunnallinen asia tai arkielämän tilanne opetuksen lähtökohtana. Vaihtoehtoisia tapoja: A) Havainnoikaa ympäristöä luokassa, koulun pihalla, koulun lähiympäristössä tai kotona, ja tutustukaa siihen, missä kaikessa kiveä käytetään. Voitte esimerkiksi valokuvata kohteet, ks. tarkemmin s. 54. Tässä yhteydessä voi tulla esiin kysymys, mikä itse asiassa kivi on, onko esimerkiksi betoni kiveä. Tämä osaltaan motivoi seuraavaan vaiheeseen. Voitte tehdä myös aistiretken kivien maailmaan ja tutustua siihen, miltä kivet näyttävät ja tuntuvat. Esimerkiksi: Minkä värisiä kivet ovat? Miltä ne tuntuvat (karhea vai sileä, kylmä vai lämmin..)? Entä tuoksuvatko kivet? 7

B) Tarkastelkaa yksinkertaisia arkipäivän esineitä, joiden valmistuksessa on käytetty maankamaran luonnonvaroja, esimerkiksi: - lyijykynä - keraaminen muki - juomalasi - alumiinifolio tai juomatölkki - lusikka tai haarukka Oppilaat pohtivat, mistä materiaaleista esineet on tehty ja mistä ja miten raaka-aineet niiden valmistamiseen on saatu. Esimerkiksi: Miten lyijykynä liittyy maankuoren luonnonvaroihin? Mitä lyijy on? Mistä sitä saadaan? Tavoitteena tässä vaiheessa on pikemminkin herättää kysymyksiä, kuin vielä etsiä täydellisiä vastauksia. Taustatietoa opettajalle: (tarkempia tietoja löytyy tämän käsikirjan sivuilta) - Lyijykynän lyijy on grafiittia, joka on yksi mineraali. Sitä esiintyy esim. liuskekivissä ja gneississä. - Keraamisen mukin ja juomalasin valmistukseen käytetään kvartsihiekkaa ja maasälpämineraalia. - Folio ja juomatölkit ovat alumiinia. Alumiinia valmistetaan bauksiitti -nimisestä kivestä. - Lusikka ja haarukka on valmistettu teräksestä. Teräs valmistetaan raudasta, johon on sekoitettu muita metalleja. Ruostumaton teräs valmistetaan raudasta ja kromista. Rautaa valmistetaan kallioperästä louhituista mineraaleista, kuten magnetiitista ja hematiitista. 2. vaihe: Opiskellaan luonnontieteellistä tietoa kivistä ja mineraaleista. Käsittelyn laajuus riippuu luokka-asteesta, esimerkiksi: mitä kivi on, mistä kivi koostuu, mitä mineraalit ovat, millaisia ominaisuuksia kivillä ja mineraaleilla on, miten kiviä luokitellaan, miten kivet syntyvät ja kiertävät jne. Ks. sivut 9-21 ja 34-41. 3. vaihe: Palataan arkielämän lähtökohtaan ja laajennetaan tarkastelun näkökulmaa, esimerkiksi: erilaisten kivimateriaalien ominaisuudet ja käyttökohteet, kiven käyttö ennen ja nyt, mineraalien käyttö ja merkitys, kiven kestävä käyttö, tuotteiden elinkaari jne. Tässä vaiheessa tarkastellaan myös omaa maankuoresta saatavien luonnonvarojen käyttöä ja pohditaan, miten omat valinnat vaikuttavat luonnonvarojen kulutukseen ja mitä jokainen voi tehdä luonnonvarojen säästämiseksi. Tavoitteena on saada tietoja, taitoja ja valmiuksia toimia aktiivisesti ja vastuullisesti. Ks. sivut 27-33 ja 54-90. Lopuksi voidaan vielä pohtia ja tarkastella omaa oppimista: mitä uutta opittiin ja miten ymmärrys kiven / maankuoren luonnonvarojen käytöstä laajeni. Jos oppilaat esimerkiksi tekivät opiskelun alussa miellekartan (ks. 34), kokonaisuuden opiskelun jälkeen voidaan tehdä miellekartta uudestaan, ja todeta sen avulla mitä uutta on opittu. 8

3. GEOLOGIAA OPPIMAAN! 3 A) Keskeiset käsitteet Kivet ja mineraalit Kivi on arkikielessä käytössä oleva sana. Geologiassa käytetään sanaa kivilaji. Ihan samalla tavalla kuin kalalaji tai lintulaji. Loogista, eikö totta? Kivilajeja ovat esimerkiksi graniitti, gneissi, vuolukivi, hiekkakivi, kiilleliuske ja kalkkikivi (ks. seuraava sivu). Kivilajit koostuvat mineraaleista. Mineraali on luonnossa esiintyvä kiinteä ja eloton aine, jolla on tietty kemiallinen koostumus. Kukin kivilaji koostuu yhdestä tai useammasta mineraalista. Tavallisesti kivilajit koostuvat 3-5 mineraalista. Esimerkiksi graniitti koostuu kolmesta mineraalista: maasälvästä, kvartsista ja kiilteestä. Yleisimpiä mineraaleja maankuoressa ovat juuri kvartsi ja maasälpä. Erilaisia mineraaleja tunnetaan nykyisin noin 4500. Noin 40 niistä muodostavat pääasiassa kaikki kivilajit. Mineraalit puolestaan koostuvat alkuaineista, esimerkiksi piistä ja hapesta. Muita yleisimpiä alkuaineita mineraaleissa ovat alumiini, rauta, kalsium, kalium, natrium ja magnesium. Nämä kahdeksan alkuainetta muodostavat lähes kaikki mineraalit. Useimmiten mineraalit koostuvat useasta alkuaineesta, eli ne ovat yhdisteitä, mutta mineraali voi olla myös alkuaine, kuten kulta tai kupari. Mineraalien koostumus voidaan ilmaista kemiallisella kaavalla. Esimerkiksi kvartsin kemiallinen kaava on SiO 2, joka kertoo kvartsin koostuvan piiatomista (Si) ja kahdesta happiatomista (O 2 ). Mineraalien rakenne ja koostumus määräävät mineraalien ominaisuudet. Mineraalit koostuvat alkuaineista ja kivilajit koostuvat mineraaleista. Kivilajit muodostavat kallioperän. Lisää kallioperästä sivulla 11. Kivien ja mineraalien syntyminen esitellään sivuilla 17-21. 9

Kivilajeja, niiden tunnusmerkkejä ja syntytapa (ks. lisää kivien syntytavoista s. 17-21) Kivilaji Miltä näyttää/tunnusmerkkejä Miten syntynyt? Graniitti Gneissi Karkearakeinen kivi (rakeet voi erottaa silmin). Rakeet yleensä samankokoisia ja siksi näyttää pilkulliselta. Yleensä väriltään vaaleanharmaata tai punaista. Raitainen tai juovainen ulkonäkö. Väriltään yleensä valko-musta tai harmaa. Syntynyt kivisulasta kiteytymällä syvällä maankuoressa. Syntynyt maankuoren liikkeiden synnyttämän vuortenpoimutuksen seurauksena. Vuolukivi On nimensä mukaisesti vuoltavissa oleva pehmeä kivilaji. Sisältää talkkia, joka saa kiven tuntumaan liukkaalta. Väriltään usein harmaata tai hieman vihertävää. Syntynyt serpentiniitti - nimisestä kivilajista syvällä maankuoressa kallioperässä liikkuvien vesiliuosten ja kohonneen lämpötilan sekä paineen vaikutuksesta. Hiekkakivi Kivi voi olla hyvin hienorakeista ja väriltään usein punertavaa. Rakeet ovat usein pyöristyneitä. Kivessä voi näkyä kerroksellinen rakenne. Hiekkakivi on nimensä mukaisesti kivettynyttä hiekkaa. Kiilleliuske Joskus kiilleliuske on niin hienorakeista, että siitä voi lohkaista ohuita levymäisiä kappaleita. Väriltään tummanharmaa tai musta. Kiilleliuske on ollut muinaista merenpohjan hiekkaa ja savea. Kiilleliuske on muuttunut kovaksi kiveksi maankuoressa kohonneissa lämpötiloissa ja paineissa. Kalkkikivi Väriltään valkoinen, harmaa tai punertava, voi olla hieno- tai keskirakeinen. Pehmeä kivilaji. Syntyy, kun merivedestä saostunut ja sedimentoitunut karbonaattiaines on paineessa ja kovassa lämpötilassa uudelleenkiteytynyt maankuoressa karkearakeisemmaksi kalkkikiveksi. 10

Kallioperä ja maaperä Kivilajit muodostavat yhdessä kallioperän. Se on maapallon kova ja kiinteä kuori. Kallioperää peittää usein maaperä. Maaperä koostuu irtaimista aineksista, joita kutsutaan maalajeiksi. Maalajeista osa on eloperäisiä ja osa on syntynyt rapautumalla (eli kulumalla) kallioperästä. Kallioperästä eli kiinteästä kalliosta rapautuneita ja irronneita aineksia ovat esimerkiksi moreeni, hiekka, sora ja savi. Ne ovat karkeudeltaan erilaisia. Eloperäiset maalajit ovat puolestaan peräisin eläinten ja kasvien jäänteistä. Esimerkiksi turve on eloperäinen maalaji. Siis: Maaperä = kallioperästä rapautuneet irtaimet ainekset (esim. moreeni, sora, hiekka, savi) + eloperäiset maa-ainekset (esim. turve). Maaperäleikkaus Yhdessä kallioperä ja maaperä muodostavat maankamaran. Suomen kallioperä on maapallon vanhimpia. Suomen kallioperän vanhin osa muodostui noin 3 miljardia eli 3000 miljoonaa vuotta sitten. Maamme pohjois- ja itäosat kuuluvat tähän vanhimpaan osaan, jota kutsutaan arkeeiseksi eli ikivanhaksi kallioperäksi. Kokonaisuudessaan Suomen kallioperä on hyvin vanhaa. Maamme etelä- ja keskiosien kallioperä muodostui n. 1900 1600 miljoonaa vuotta sitten. 1 Suomen kallioperä-alueet esitellään seuraavan sivun kuvassa. Kuvassa käytetyt käsitteet kuten metamorfinen kivi ja syväkivi selitetään myöhemmin, kohdassa kivilajien synty. Vastaavasti Suomen maaperä on nuorta. Jääkausi on ollut tärkeä Suomen maaperää muokkaava tekijä: suurin osa maaperän maalajeista syntyi viimeisen jääkauden aikana. Suomen yleisin maalaji on moreeni. Moreeni sisältää erikokoisia aineksia (eli maalajeja), kuten savea, hietaa, hiekkaa, soraa ja kivilohkareita. Maaperän paksuus on Suomessa yleisimmin 3-4 metriä 2. 1 Geologian tutkimuskeskus GTK 2 Houtsonen: Tutkimusalueena Suomi, 1994 11

12

Miksi kallioperän ja maaperän ominaisuuksilla on merkitystä? Kallioperän kivilajeilla (esimerkiksi graniitti, gneissi, liuske tai kalkkikivi) on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, jotka vaikuttavat siihen, millaista kasvillisuutta ja eliöstöä paikalla voi elää. Kallioperän kivilajien ominaisuudet vaikuttavat maaperään, koska maaperä koostuu kallioperästä rapautuneista irtaimista aineksista sekä eloperäisistä aineksista. Maaperän rakenne ja ravinteikkuus vaikuttavat lajistoon. Esimerkiksi maalajien raekoko vaikuttaa maan kosteuteen ja ilmavuuteen. Lisäksi eroja voi olla esimerkiksi maan ravinnepitoisuudessa ja happamuudessa. Suomessakin kasvillisuus on erilaista eri paikoissa, johtuen paitsi ilmastosta, myös maaperän ominaisuuksista. Esimerkiksi suomalaiset metsät voidaan karkeasti jakaa kolmeen päätyyppiin, joita ovat kuiva kangasmetsä, tuore kangasmetsä ja lehto. Kuivat kangasmetsät syntyvät hiekkaisille harjuille ja kankaille, jotka laskevat sadeveden helposti läpi. Kuivien kankaiden kasvit ovat sopeutuneet säästämään vettä. Kuivan kangasmetsän lajeja ovat mm. mänty, kanerva, variksenmarja ja puolukka. Kuiva kangasmetsä Tuoreet kangasmetsät syntyvät moreenimaille. Moreenissa on mukana useita maalajeja; soraa, hiekkaa ja savea. Moreeni pidättää hyvin vettä ja on ravinteikkaampaa kuin hiekkamaat. Tuoreissa kangasmetsissä valtapuulajina on kuusi. Muita tuoreen kangasmetsän kasveja ovat esimerkiksi mustikka, oravanmarja, metsätähti ja metsämaitikka. Lehdot ovat kehittyneet vain kaikkein edullisimmille paikoille. Lehdossa on ravinteikas ja multava maaperä. Lehto on metsälajeistamme runsaslajisin, ja tyypillisiä lehdon kasveja ovat koivu, leppä ja muut lehtipuut, saniaiset, kielo, vuokot sekä monet heinälajit. Maaperätutkimuksella varmistetaan mitä puulajia alueelle kannattaa istuttaa. 13

Maaperä ja kallioperä vaikuttavat paitsi kasvillisuuteen (ja sitä kautta eliöstöön), myös ihmisen toimintaan. Moreeniselänteet ja harjut ovat olleet Suomessa tärkeitä tekijöitä asutuksen ja kulkureittien sijoittumisessa. Alueen geologisilla ominaisuuksilla on yhteys elinkeinoihin ja maankäyttöön. Maaperän ravinteikkuudella ja muokattavuudella on ollut suuri merkitys maatalouden sijoittumiselle: tietyt alueet ovat ihanteellisia viljanviljelyyn. Harjut ovat tarjonneet tärkeitä hiekka- ja soravaroja. Kallioperän malmivarat määräävät kaivosteollisuuden sijoittumisen. Kallioperän ja maaperän luonnonvaroilla voi olla iso taloudellinen merkitys alueellisesti tai kansallisesti, esimerkkeinä vaikka Norjan öljyteollisuus ja Ruotsin malmivarat. Myös useiden kehittyvien maiden taloudessa maankuoren luonnonvarojen hyödyntämisellä on suuri merkitys. Suomessakin malmivarantojen yhteyteen syntynyt kaivosteollisuus on synnyttänyt konepajateollisuutta, metallinjalostusta ja -tuotantoa sekä vaikuttanut taloudelliseen kasvuun. Kallioperä, maaperä ja pinnanmuodot vaikuttavat suuresti myös alueen maisemaan. Maisemalla tarkoitetaan usein ympärillä näkyvää tai jostakin paikasta avautuvaa näköalaa. Erilaiset maisemat kertovat osaltaan geodiversiteetistä* eli geologisesta monimuotoisuudesta. Suomikin jaetaan erilaisiin maisema-alueisiin, jotka on rajattu tiettyjen fyysisten ominaisuuksien perustella. Jääkausi on vaikuttanut paljon suomalaiseen maisemaan. Suomalaisen maiseman ominaispiirteitä ja kehitysvaiheita sekä Suomen maisema-alueita käsitellään maantiedon oppikirjoissa, joten tässä materiaalissa ne on jätetty vähemmälle. Suomen maisema-alueisiin voi tutustua myös esimerkiksi Yle.fi -sivuston filmin avulla: http://oppiminen.yle.fi/artikkeli?id=1093. * Geodiversiteetillä tarkoitetaan geologista monimuotoisuutta eli kallioperän, maaperän ja maan pinnanmuotojen vaihtelua sekä niitä geologisia prosesseja, jotka rakentavat ja kuluttavat maankuorta. Geodiversiteetti on siis luonnon monimuotoisuutta geologian näkökulmasta. 14

Mineraalien tunnistaminen Kovuus on yksi tärkeimmistä ominaisuuksista tunnistettaessa mineraaleja. Kovuudella tarkoitetaan sitä, miten helposti mineraali naarmuttuu. Kovuutta voi testata vaikka teräsnaulan (arkikielessä rautanaula ) avulla. Helposti tunnistettava ominaisuus on myös mineraalin viiru, eli se jälki, jonka mineraali jättää raaputettaessa sitä lasittamattomaan posliiniin, esimerkiksi sulakkeeseen. Lisäksi mineraalien tunnistamisessa kiinnitetään huomiota niiden rakenteeseen, esimerkiksi siihen, minkä muotoisia kiteet ovat, miten mineraali lohkeaa ja onko se läpinäkyvä tai läpikuultava. Puolestaan mineraalin väri on huono tuntomerkki monien mineraalien osalta. Sama mineraali voi esiintyä monen värisenä ja vastaavasti eri mineraalit voivat olla miltei samanvärisiä. Mineraalit voivat olla myös epäpuhtaita, eli niissä voi olla niihin kuulumattomia aineksia, jotka voivat antaa voimakkaankin, mutta vieraan, värin mineraalille. Mohsin mineraalien kovuusasteikko Vuonna 1822 saksalainen geologi Friedrich Mohs luokitteli mineraalit niiden kovuuden mukaan. Hän loi mineraalien kovuusasteikon siten, että hän valitsi 10 mineraalia kuvaamaan kymmentä eri kovuusastetta; katso alla oleva lista. Mohs järjesti valitut esimerkkimineraalit kovuusjärjestykseen ne niin, että asteikossa ylempänä olevilla (eli niillä joilla on suurempi luku) voi naarmuttaa listassa alempana olevia. Toisin sanoen, mitä ylempänä mineraali on listassa, sitä kovempaa se on. Mohsin luoma asteikko on edelleen käytössä. Sitä hyödynnetään mineraalien tunnistamisessa. Mineraali Mohs'in arvo Naarmutuskovuus Talkki 1 kynsi naarmuttaa helposti Kipsi 2 kynsi naarmuttaa Kalsiitti 3 kolikko naarmuttaa Fluoriitti 4 rautanaula naarmuttaa helposti Apatiitti 5 rautanaula naarmuttaa huonosti Maasälpä 6 naarmuttaa heikosti lasia Kvartsi 7 naarmuttaa helposti lasia Topaasi 8 naarmuttaa kvartsia Korundi 9 naarmuttaa helposti kvartsia/topaasia Timantti 10 naarmuttaa kaikkia Huomaa, että Mohsin listassa on vain tietyt esimerkkimineraalit. Keskenään saman kovuisia mineraaleja on useita, ainoa poikkeus on timantti. Se on ainoa mineraali, jonka kovuus on 10. 15

Mineraalien kiderakenne Mineraalit ovat kiteisiä aineita. Kide on säännöllisen muotoinen ja syntynyt kiteytymällä. Mineraaleissa alkuaineiden atomit ovat järjestäytyneet tiettyyn säännölliseen järjestykseen, eli jokaisella alkuaineella on tarkasti määritelty paikkansa mineraalissa. Tätä säännöllistä järjestystä kutsutaan kiderakenteeksi. Jokaisella mineraalilla on erilainen kiderakenne. Mineraalien kiteytyminen voi kestää satoja tuhansia tai jopa miljoonia vuosia. Jos mineraaleilla on aikaa ja tilaa kiteytyä, niistä voi muodostua jopa metrien mittaisia täydellisesti kehittyneitä kiteitä. Erityisesti onteloihin, kuten esimerkiksi tulivuorisyntyisten kivien kaasukupliin, syntyvissä kiteissä voi olla täydellisesti kehittyneet kidepinnat. Tällaisia kiteitä kutsutaan omamuotoisiksi. Myös kivisulan jäähtyessä voi syntyä omamuotoisia mineraalikiteitä. Korkeissa lämpötiloissa kiteytyvät mineraalit kiteytyvät ensin ja voivat saada hyvin kehittyneen kidemuodon. Alhaisissa lämpötiloissa syntyvät kiteet joutuvat täyttämään jäljelle jääneitä avoimia tiloja. Tavallisesti mineraalit ovat senttimetrien tai millimetrien kokoisia ja niiden ulkoasu voi olla neulasmainen, pylväsmäinen, kuution muotoinen, sälöinen, levymäinen, massamainen tai lamellimainen. Mineraalien kiderakenne on tärkeä erityisesti mineraalien tunnistamisessa. Kaikki mineraalit kuuluvat johonkin kidejärjestelmään, joita tunnetaan seitsemän. Lisätietoa kiderakenteesta ja -järjestelmistä sekä havainnollistavia kuvia löydät Mikko Turusen artikkelista Kidejärjestelmät geologia.fi -sivustolla. Esimerkkejä erilaisista kidejärjestelmistä: Trigoninen kidejärjestelmä / Kalsiitti Kuutiollinen kidejärjestelmä / Pyriitti Heksagoninen kidejärjestelmä / Apatiitti Trikliininen kidejärjestelmä / Kalimaasälpä 16

3 B) Geologiset prosessit Kivilajien synty Kivilajit jaetaan syntytapansa puolesta kolmeen pääryhmään: (1) magmakiviin, (2) kerrostuneisiin eli sedimenttikiviin ja (3) muuttuneisiin eli metamorfisiin kiviin. Magmakivet jaetaan vielä kahteen alaryhmään, syväkiviin ja pintakiviin. Kivilajien syntytavat kertovat suurista ja kiehtovista aineiden kierroista maapallolla. 1) Magmakivet Magmakivet syntyvät kun maan kuoren alla oleva sula kivimassa eli magma jäähtyy ja jähmettyy. Vähän samalla tavalla kuin kynttilän palaessa syntyvä sula vaha jähmettyy valuessaan alas kynttilän reunaa pitkin. 1A) Magmakivi syväkivi Maankuoren liikunnoissa sula kivimassa eli magma nousee joskus syvältä maan sisältä kohti maan pintaa. Samalla se jäähtyy. Mineraalit kiteytyvät vähitellen jäähtyvästä kivisulasta. Kun magma jähmettyy ja kiteytyy ollessaan vielä maankuoressa, se tapahtuu hyvin hitaasti, miljoonien vuosien aikana. Näin on syntynyt esimerkiksi kansalliskivemme graniitti. Hitaassa magmakivien muodostumisprosessissa kiteitä ehtii muodostua, ja graniitinkin eriväriset mineraalikiteet ovat selvästi erotettavissa (ks. kuva alla). Syväkivien mineraalikiteet ovat keskenään lähes samankokoisia. Tästä syystä syväkivet näyttävät usein pilkullisilta. Graniitti ja sen mineraalikiteet kvartsi, kiille ja maasälpä Nimi magmakivi-syväkivi kertoo siis, että kivilaji on syntynyt sulasta kivimassasta (magmasta) syvällä maankuoressa. Vaikka syväkivet ovat syntyneet syvällä, niitä löytyy maanpinnalla sieltä, missä päällä olleet kivikerrokset ovat kuluneet pois, satojen miljoonien vuosien aikana. 1B) Magmakivi pintakivi Tulivuorten purkautuessa, maapallon kiinteän kuoren alla oleva sula kiviaines eli magma purkautuu tulivuoresta maan pinnalle ja jäähtyy ja jähmettyy nopeasti. Nopeassa prosessissa magmasta ei ehdi syntyä isoja kiteitä, vaan tuloksena ovat pintakivilajit, jotka ovat hyvin hienorakeisia ja näyttävät usein tasalaatuiselta massalta. Niitä kutsutaan myös vulkaaniksi kiviksi. Yleisin pintakivi on basaltti, joka on lasimainen ja usein hyvin tumma. Nimi magmakivi-pintakivi kertoo siis, että kivilaji on syntynyt magmasta ja kiteytynyt maanpinnan olosuhteissa. 17

Suurin osa meren pohjasta on basalttia. Sitä syntyy, kun maapallon sisäiset virtaukset nostavat syvältä sulaa kiviainesta kohti maan pintaa, ks. tarkemmin kohdasta Mannerlaatttojen liikkuminen. 2) Kerrostunut kivilaji eli sedimenttikivi Vesi, tuuli ja lämpötilan vaihtelut kuluttavat maan pinnalla olevia kiviä pienemmiksi. Tämä ilmiö on kivien rapautuminen. Esimerkiksi hiekka on syntynyt eri kivilajeista rapautumalla, eli kulumalla ja jauhautumalla hienoksi. Rapautuneet kiviainekset kulkeutuvat vesien mukana ja kerrostuvat lopulta meren pohjiin sedimenteiksi (eli kerrostumiksi). Ylempien kerrosten painosta alimmat kerrokset tiivistyvät ja kovettuvat vähitellen, ja tuloksena syntyvät kerrostuneet kivilajit. Näin syntyy esimerkiksi hiekkakivi, joka on syntynyt hiekasta kerrostumalla ja kovettumalla. Hiekkakivi on kerrostunut kivilaji. Kerrostuneet kivet koostuvat pienistä mineraalirakeista ja ovat, nimensä mukaisesti, kerroksellisia. Sedimenttikivi voi koostua myös pyöristyneistä kivistä, joiden välissä on pienempirakeista kivimassaa. Tällaiset kivet ovat konglomeraatteja. Ne ovat syntyneet iskostumalla. Konglomeraatti on muinaista jokisoraa. Suomessa kerrostuneita kivilajeja on vähän, koska jääkausien aikana mannerjäät kuluttivat pehmeitä kivilajeja ja kuljettivat irtaimet ainekset pois. Lisätietoa: Sedimenttikivet jaetaan kolmeen luokkaan: Mekaaniset sedimentit koostuvat aineksesta, joka on rapautunut jostain jo aiemmin olemassa olleesta kivilajista. Kemialliset sedimentit syntyvät saostumalla liuoksista tai kiteytymällä ylikylläisistä liuoksista. Esimerkkejä: kalkkikivet, dolomiitit, kivisuolat, kipsi. Orgaaniset sedimentit ovat syntyneet orgaanisen materiaalin, kuten eläinten ja kasvien jäänteiden kerrostuessa ja kivettyessä. Esimerkkejä: orgaaniset kalkkikivet, ruskohiili, kivihiili. 18

3) Muuttunut eli metamorfinen kivi Muuttuneet eli metamorfiset kivilajit syntyvät, kun kova paine ja lämpötila muuttavat kiven rakennetta ja mineraalikoostumusta. Metamorfinen kivilaji on siis alun perin ollut magmakivi, sedimenttikivi tai toinen metamorfinen kivi, joka on joutunut korkeampiin lämpö- ja paineolosuhteisiin. Kivien mineraalit ovat kiteytyneet ja järjestäytyneet uudestaan jolloin on muodostunut uusi kivilaji. Tämä tapahtuu seuraavasti: Kivet vajoavat mannerlaattojen liikkeiden vaikutuksesta syvälle maankuoreen. Siellä on korkea lämpötila ja kova paine, jotka muuttavat kivien ominaisuuksia ja ulkonäköä. Kiven kemiallinen koostumus ei muutu, mutta mineraalit kiteytyvät uudelleen ja syntyy myös uusia mineraaleja. Ilmiötä kutsutaan metamorfoosiksi. Näin syntyneitä kivilajeja ovat esimerkiksi vuolukivi, marmori ja gneissi. Metamorfiset kivet ovat usein juovaisia, eli niissä näkyy kuvioita ja mutkittelevia juovia. Gneissi on metamorfinen kivi. Metamorfoosi tarkoittaa yleensäkin muodonmuutosta, ja geologiassa se tarkoittaa siis kivilajien rakenteen ja mineraalikoostumuksen muuttumista kovan paineen ja korkean lämpötilan (usein satoja asteita) seurauksena. Metamorfoosin lajeja on erilaisia, esimerkiksi jotkut kivilajit syntyvät matalissa lämpötiloissa ja korkeissa paineissa, ja jotkut toiset korkeissa lämpötiloissa ja matalissa paineissa. Huomaa! Gneissi koostuu samoista mineraaleista kuin graniittikin; kvartsista, maasälvästä ja kiilteestä. Gneissi syntyy, kun vuorenpoimutuksen yhteydessä, korkeassa lämpötilassa ja kovassa paineessa graniitti sulaa ja sen ainekset järjestäytyvät uudelleen. Gneissi voi syntyä metamorfoitumalla myös muista kivistä kuin graniitista. Marmori puolestaan on metamorfoosin läpikäynyttä kalkkikiveä. Metamorfoituneet kivilajit ovat yleisiä Suomessa. Koska metamorfoituneita kiviä syntyy vuorenpoimutuksessa, on Suomenkin alueella siis ollut poimuvuoristoja. Nykyään poimuvuoristoista on nähtävillä enää niiden juuriosat, jotka ovat kestäneet kulutusta (rapautumista) parhaiten. Nämä muinaisten poimuvuoristojen juuriosat koostuvat kvartsiiteista ja konglomeraateista. Ne näkyvät maisemassa vaaroina, joista tunnetuimpia ovat Koli, Vuokatti ja Ruka. Katso Kolin synty s. 47. Esimerkkejä metamorfisista kivistä ja mistä kivilajeista ne ovat syntyneet: Alkuperäinen kivilaji Metamorfinen kivi kvartsihiekkakivi kvartsiitti savikivi fylliitti / kiilleliuske kalkkikivi marmori peridotiitti serpentiini / vuolukivi graniitti gneissi 19

Mineraalien synty Mineraalit syntyvät geologisissa prosesseissa, esimerkiksi saostumalla tai kiteytymällä sulan kiviaineksen, magman, purkautuessa. Magmakivilajien mineraalit ovat syntyneet sulan kiviaineksen jähmettyessä syvällä maankuoressa tai purkautuessa maan pinnalle. Mineraalien kiteytymisjärjestyksen määrää lämpötila: tietyssä lämpötilassa kiteytyy tietty mineraali, esimerkiksi plagioklaasi. Kun kivimassan lämpötila laskee, alkaa seuraava mineraali kiteytyä, esimerkiksi kemialliselta koostumukseltaan hieman erilainen maasälpä, kalimaasälpä. Lämpötilan laskiessa edelleen kiteytyvät esimerkiksi kvartsi ja kiilteet. Sedimenttikivet muodostuvat mineraaleista, jotka ovat syntyneet kiveen saostumalla (sedimentoitumalla), kivettymällä hiekasta ja sorasta tai kerrostumalla rapautumistuotteista. Metamorfiset kivet sisältävät mineraaleja, jotka ovat syntyneet jo olemassa olevista mineraaleista siten, että niiden kemiallinen koostumus on muuttunut ja ne ovat uudelleenkiteytyneet toisiksi mineraaleiksi kohonneen lämpötilan ja paineen vaikutuksesta (metamorfoosi). Liuskekiven käyttöä puiston rakennelmissa Liuskekiviuuni Esimerkki: Liuskekiven synty Pihalaattoihin ja myös uuneihin käytettävä liuskekivi (kiilleliuske) on yksi metamorfoitunut kivilaji. Se on ollut ennen metamorfoosia eli muodonmuutosta muinaista merenpohjan hiekkaa ja savea. Kiilleliuske syntyy seuraavasti: Maan pinnalla olevat kivet rapautuvat, olivatpa ne magmakiviä, kerrostuneita tai muuttuneita kiviä. Hyvin pienistä rakeista muodostuu savea. Se kulkeutuu veden mukana meren pohjaan. Alimmat savikerrokset tiivistyvät ylempien kerrosten painosta, ja vesi puristuu pois. Syntyy savikiveä (joka on siis sedimenttikivi). Vuorenpoimutuksessa savikivi joutuu kovaan puristukseen, ja sen mineraalit kiteytyvät uudelleen. Syntyy kiilleliuske (joka on metamorfoitunut kivi). Maankuoren liikunnot voivat nostaa kiilleliuskeen pintaan näkyviin. Maan pinnalla kivi alkaa rapautua ja kiviaines aloittaa uuden kierroksen. Jos sama savikivi metamorfoituu syvemmällä, jossa on suurempi lämpötila, siitä syntyy erilainen liuskekivi, koska eri paineessa ja lämpötilassa mineraalit kiteytyvät uudestaan eri tavalla. Huomaa siis, että kivet kiertävät, eli sama kiviaines voi olla eri aikana magmakiveä, metamorfoitunutta tai sedimenttikiveä, tai irtainta maa-ainesta kuten hiekkaa tai soraa. Muutokset kestävät miljoonia vuosia. Esimerkiksi Suomessa kvartsiitti voi olla jopa yli 2000 miljoonaa vuotta vanhaa merenrannan kvartsihiekkaa. Kivilajien syntytavat ja kivien kierto on esitetty seuraavassa kuvassa. 20

Öljy ja kivihiili fossiilisten polttoaineiden syntyminen Öljy on muodostunut kasveista ja muista eloperäisistä aineksista korkean paineen ja lämmön vaikutuksesta vähän samanlaisessa prosessissa kuin kivilajitkin. Öljyä syntyy, kun kasvien ja eliöiden jäänteitä kertyy matalien merien pohjaan, miljoonien vuosien aikana. Tämä eloperäinen aines hautautuu savi- ja hiekkakerrosten alle. Kovan paineen ja lämpötilan vaikutuksesta eliöiden jäänteet muuttuvat öljyksi, joka kerääntyy taskuihin kallioperään. Tämä kestää miljoonia vuosia. 1 Kivihiili on syntynyt satojen miljoonien vuosien kuluessa maakerrosten väliin puristukseen jääneistä kasveista. Kovassa paineessa ja hapettomissa olosuhteissa kasviaineksesta muodostuu ensin turvetta, joka muuttuu ruskohiileksi ja sen jälkeen kivihiileksi. Kivihiiltä ja öljyä sanotaan fossiilisiksi polttoaineiksi, koska ne muodostuivat miljoonia vuosia sitten ja niitä käytetään polttoaineina. Joskus kivihiili luokitellaan myös kivilajiksi, vaikka se on syntynyt elollisista aineksista eli kasvin osista. Kivilajithan muodostuvat mineraaleista, ja ne ovat elottomia. Kivihiiltä 1 GTK, http://www.gtk.fi/geologia/luonnonvarat/oljy/ 21

Mannerlaatat ja niiden liikkuminen Mannerlaattojen liikkuminen on merkittävä geologinen prosessi, koska se aiheuttaa maanjäristykset, tulivuoritoiminnan ja vuorenpoimutukset. Mannerlaattoja on 17 kpl ja ne ovat eri kokoisia. Mannerlaattojen sijaan on oikeampi puhua litosfäärilaatoista, koska laatoissa on yleensä sekä merenpohjaa että mannerta. Mantereet eivät siis ole ainoita jotka liikkuvat, vaan laattoihin kuuluva merenpohja kulkeutuu laatan mukana. Litosfääri tarkoittaa kivikehää; lithos on kreikkaa ja tarkoittaa kiveä. Litosfääri jakautuu siis laattoihin. Laatat kelluvat ja liikkuvat joustavassa kivikerroksessa, jota kutsutaan astenosfääriksi. Litosfääri, astenosfääri ja sitä syvemmällä olevat muut kehät jaotellaan niiden lujuusominaisuuksien perusteella. Maapallon rakenne voidaan jakaa myös ainesten kemiallisen koostumuksen mukaan, jolloin erotetaan kolme kerrosta: kuori, vaippa ja ydin. Lisätietoa: Maankuori ja vaipan yläosa muodostavat jäykän ja lujan litosfäärin eli kivikehän, jonka paksuus on yleensä 50 300 km. Kivikehän alapuolella oleva astenosfääri käsittää osia sekä ylävaipasta että vaipan vaihettumisvyöhykkeestä. Astenosfäärin ylin osa, 50 100 km, koostuu kerroksesta, joka on litosfääriä heikompaa ja osittain sulaa kiviainesta. Astenosfäärin arvioidaan ulottuvan noin 700 km:n syvyyteen. Sen alapuolista vaippaa kutsutaan mesosfääriksi. Mesosfäärin alapuolella on juoksevaa ainesta. Noin 5150 kilometrin syvyydessä alkaa kiinteä maapallon sisäydin. Maapallon keskipiste on 6370 kilometrin syvyydessä. 1 Laatat liikkuvat toistensa suhteen kolmella eri tavalla. Ne voivat erkaantua toisistaan, törmätä tai liukua toistensa suhteen. Laatat liikkuvat yleensä 2-15 cm vuodessa 2. Jos vauhti on 5 cm vuodessa, sadassa vuodessa laatta liikkuu viisi metriä. Vastaavasti 10000 vuoden aikana, eli viimeisen jääkauden jälkeen, tällä vauhdilla liikkuva laatta on kulkenut 500 metriä. Matkat vaikuttavat pieniltä, mutta geologiassa tuhannet vuodet ovat pieniä ajanjaksoja. Miljardin vuoden aikana tällä vauhdilla ehtii liikkua jo 50.000 km. Ja maapallon ikähän on, kuten aiemmin opimme, 4,5 miljardia vuotta. Mikä laattojen liikkeen aiheuttaa? Yleisin selitys laattojen liikkumiselle on ollut se, että liikkuminen johtuu maapallon sisäisen lämmön aiheuttamista virtauksista, joita kutsutaan konvektiovirtauksiksi. Virtaukset pyrkivät jäähdyttämään maapalloa. Samanlainen konvektiovirtaus syntyy kattilassa vettä keitettäessä. Pohjan kuumimman paikan kohdalla vesi on lämpimintä, ja koska lämpimin vesi on kevyintä, se nousee ylös. Vähän jäähdyttyään se painuu kattilan reunoilta alas pohjaan. Astenosfäärin kattilassa kuuminta on yleensä valtamerten keskellä, ja siellä kiviaines nousee ylöspäin. Keskeltä virtaus kääntyy sivuille. Kun kiviaines jäähtyy noustessaan pintaa kohti, se muuttuu painavammaksi ja painuu mantereiden reunalla syvälle. 3 1 Lehtinen, Nurmi & Rämö (toim): Suomen kallioperä 3000 vuosimiljoonaa, 1998. 2 Anttila-Muilu, Cantell, Jutila, Lappalainen, Sorvali & Tani: GEOS 1, Sininen planeetta. WSOY, 2009 3 Kakko, Kenno & Tyrväinen: Koulun maantieto, Maapallo. Otava, 2000 22

Maanjäristykset Maanjäristykset tapahtuvat mannerlaattojen (litosfäärilaattojen) saumakohdissa, kun kahden laatan mantereiset osat törmäävät toisiinsa tai kun laatat repeävät irti ja loittonevat toisistaan. Maanjäristyksiä tapahtuu myös paikoissa, joissa laatat liikkuvat eri suuntiin ja hankaavat toisiaan. Laattojen törmätessä tai hangatessa toisiaan niiden saumakohdat lukkiutuvat, ja kohtaan muodostuu jännitteitä. Kohtiin varastoituu paljon energiaa, kuin jousta jännitettäessä. Lopulta kiven rakenne ei kestä jännitystä vaan se murtuu. Jännityksen lauetessa purkautuu myös sitoutunut energia hyvin nopeasti, usein muutamassa sekunnissa. Nopeasti purkautuva energia aiheuttaa maanjäristysaaltoja ja murtumisia kallioperässä. Maanjäristykset aiheuttavat usein pahojakin tuhoja. Merialueilla, veden alla tapahtuvat maanjäristykset aiheuttavat tsunameja eli hyökyaaltoja. Maanjäristykset ja mannerlaattojen saumakohdat 1 Tsunamit Tsunami eli hyökyaalto aiheutuu veden alla tapahtuvasta maanjäristyksestä. Tunnetuin niistä lienee 26.12.2004 tapahtunut tsunami Kaakkois-Aasiassa, jonka seurauksena kuoli noin 230.000 ihmistä, joukossa 179 suomalaista. Tsunamin voima oli niin suuri, että hyökyaallot tappoivat satoja ihmisiä myös Afrikan rannikolla, noin 6000 kilometrin päässä maanjäristyksen keskuksesta. 2 Maanjäristys johtui mannerlaattojen liikkumisesta toisiaan vasten. Merellinen Intian laatta työntyy mantereisen Burman mikrolaatan alle 6 cm vuodessa. Vastaavasti Burman laatan pitäisi liikkua 3 cm vuodessa luoteeseen Intian laatan päälle. Tutkijoiden mukaan tämä liike on ollut lukkiutuneena useita satoja vuosia. Tämä on aiheuttanut jännityksen Burman laattaan. Pitkäaikainen jännityskertymä purkautui maanjäristyksessä. Pääjäristyksessä Burman laatan länsireuna liikkui länteen päin 19 metriä (maanpinnalla mitattuna) ja 5 m ylöspäin. Tämä tapahtui noin kuudessa minuutissa. Merenpohjan äkillinen nousu ylöspäin aiheutti tuhoisan tsunamin. 3 1 The Burren Connect Project, Clare County Council, http://www.geoneed.org/burren/stonewaterice/ 2 Helsingin Sanomat, http://www.hs.fi/extrat/erikoissivu/1101978169231 3 Helsingin yliopisto, seismologian instituutti, http://www.helsinki.fi/geo/seismo/maanjaristykset/suuret/sumatranlaattaliikkeet.html 23

Tulivuoren purkaukset Myös tulivuoren purkaukset tapahtuvat laattojen saumakohdissa. Tunnetuista tulivuorista noin 80 % on laattojen törmäyskohdissa ja 15 % laattojen loittonemiskohdissa. 1 Vuoristojen synty Maapallon tärkeimmät vuoristot ovat poimuvuoria. Ne syntyvät mannerlaattojen törmäyskohtiin. Poimuvuoristot syntyvät seuraavalla tavalla: Merenpohjiin on kertynyt sora-, hiekka- ja savikerroksia (eli sedimenttejä), jotka ovat kovettuneet kivilajeiksi (ks. kerrostuneiden kivilajien synty). Näiden kerrosten paksuus meren pohjalla voi olla useita kilometrejä. Kun liikkuva merenpohjan laatta työntää sedimentti- ja kivikerroksia mantereisen laatan reunaa vasten, kerrokset vääntyvät paineessa mutkalle, poimuille. Kun uusia kerroksia työntyy entisten päälle, vuorijono nousee näkyviin merestä. Poimuvuoriston synty merellisen laatan törmätessä mantereiseen laattaan Näin syntyneitä vuoristoja ovat mm. Andit ja Alpit. Alppien kohdalla on siis aiemmin ollut meri, jonka sedimenttikerroksista vuoristo sai alkunsa. Vaikka rapautuminen kuluttaa vuoristoa, uutta ainesta poimuttuu nopeammin tilalle. Alpeillakin poimuttuminen jatkuu, kun Afrikan laatta työntyy edelleen vasten Euraasian laattaa. Esimerkiksi Sveitsin ja Italian välistä rautatietunnelia jouduttiin leventämään 1980-luvulla, kun poimuttumisen seurauksena tunneli puristui liian kapeaksi. 2 Maailman korkein vuoristo Himalaja jatkaa myös kohoamistaan, muutaman sentin vuosivauhdilla. Himalajalla kaksi mantereista laattaa törmää toisiinsa. Koska mantereiset laatat ovat yhtä painavia, kumpikaan niistä ei työnny toisen alle, kuten merellinen laatta kevyempänä työntyy mantereisen laatan alle. Himalajalla laatat poimuttuvat siten toisiaan vasten, ja kaikki kiviaines kasautuu poimuvuoristoksi. Rapautuminen Veden, lämpötilan vaihtelujen ja tuulen vaikutuksesta maan pinnalla olevat kivet kuluvat pienemmiksi eli rapautuvat. 1 ja 2 Kakko, Kenno & Tyrväinen: Koulun maantieto, Maapallo. Otava, 2000 24

Maankohoaminen Maankohoaminen tarkoittaa maan hyvin hidasta kohoamista. Suomessa maankohoaminen johtuu viimeisimmästä jääkaudesta, jonka aikana jäätikkö painoi maankuoren lommolle. Kun jäätikkö suli ja maa vapautui jään painosta, alkoi lommo oieta hitaasti. Oikeneminen eli maankohoaminen jatkuu edelleen. Maankohoaminen Suomessa maan kohoaminen näkyy selvimmin mm. Vaasan seudulla, jossa maa kohoaa noin 70-90 cm sadan vuoden aikana. Muutoksia voi havaita siis yhden ihmisen eliniän aikana. Aikoinaan meren rantaan rakennettu vanha Vaasa on maankohoamisen myötä jäänyt kuivalle maalle, joten kaupunkia on siirretty uudelleen meren rantaan. 1 Koska maankohoamisen myötä tulee esiin lisää maata merestä, Suomen maa-ala kasvaa joka vuosi noin seitsemän neliökilometriä. 2 Extra: ydinjätteen varastointi Suomen kallioperään Suomen kallioperä on vanhaa ja laajalti tutkittua. Se on vakaata, eikä maassamme ole tulivuoria eikä voimakkaita maanjäristyksiä. Siksi on esitetty, että Suomen kallioperä sopisi radioaktiivisen ydinjätteen varastointipaikaksi tai loppusijoituspaikaksi. Sijoituspaikan tulee olla riittävän laaja ja ehjä peruskallioalue. Vaikka Suomen kallioperä on vakaata, on siinä kuitenkin ruhjeita, jotka hankaloittavat turvallista varastointia. Siksi vain tiettyjä paikkakuntia on esitetty sijoituspaikoiksi: Eurajoen Olkiluotoa, Kuhmon Romuvaaraa, Äänekosken Kivettyä ja Loviisan Hästholmenia. Tutkimusten, turvallisuusanalyysien ja ympäristövaikutusten arviointimenettelyn perusteella ne kaikki on todettu sopiviksi ydinjätteen loppusijoituspaikoiksi. Loppusijoituksesta vastaavan Posiva Oy:n mukaan paikallinen hyväksyntä oli suurinta Eurajoella ja Loviisassa. Näistä kahdesta Eurajoen Olkiluodossa oli käytettävissä suurempi maa-alue ja lisäksi suurempi osa käytetystä ydinpolttoaineesta sijaitsi valmiiksi saarella, joten Olkiluoto valittiin sijoituspaikaksi. 3 Animaatio ydinjätteen sijoittamiseen liittyvän maanalaisen kallioperän tutkimustilan louhimisesta Posiva Oy:n sivuilla: http://www.posiva.fi/tutkimus_kehitys/onkalo/onkalo-animaatio/. 1 http://luonto.vaasa.fi/suomeksi/retkeilykohteet/kulttuuriymparistokohteet/vanha_vaasa 2 Leinonen, Nyberg, Kenno & Vestelin: Koulun maantieto, Suomi. Otava, 1996 3 Posiva Oy, http://www.posiva.fi/ydinjatehuolto/paikanvalinta_loppusijoitus_olkiluotoon/ 25

Geologinen aika ja sen mittaaminen Geologiassa aikaskaalat ovat huikeita. Jos 20 miljoonaa vuotta sitten on tosi kauan sitten, miten paljon kauemmin on 2000 miljoonaa vuotta sitten? Usein jääkautta pidetään tapahtumana, joka on tapahtunut maapallon historiassa kauan sitten. Viimeisestä jääkaudesta on kuitenkin vain n. 10000 vuotta. Koko maapallon iässä 10000 vuotta on häviävän pieni jakso. Maapallon iäksi arvioidaan yleisesti 4560 miljoonaa vuotta, eli 4,56 miljardia vuotta. Ihminen kehittyi 2 miljoonaa vuotta sitten. Alla olevassa kaaviossa maapallon tapahtumat on sijoitettu 12- tuntiseen kelloon. Jos maapallon synty on kellossa puolen päivän aikaan eli klo 12.00, ihminen kehittyi klo 23.59:42. Ihmisen aika eli 2 miljoonaa vuotta vastaa siten 18 sekuntia kellossa. Viimeisen jääkauden jälkeinen aika, 10000 vuotta, vastaa kellossa 0,09 sekuntia. Vastaavasti eläimiä on ollut maapallolla vain viimeisen tunnin ja 27 min. ajan. Dinosaurukset katosivat noin 10 min. ennen puolta yötä. Lisää esimerkkejä geologian aikaskaaloista löytyy tehtäväosiosta. Extra: Edellä opimme, että Suomen kallioperän kivilajit ovat jopa 3000 miljoonaa vuotta vanhoja. Mistä voidaan tietää miten vanhoja kivet ovat? Yksi menetelmä kivien iän tai geologisten tapahtumien ajankohdan määrittämiseksi on radioaktiivisten aineiden, kuten uraanin, määrän mittaaminen kivissä. Maankamarassa on radioaktiivisia aineita, jotka ovat olleet olemassa jo maapallon syntyessä. Koska radioaktiiviset aineet hajoavat muuttumattomalla nopeudella, voidaan nykyisiä eli jäljellä olevia pitoisuuksia mittaamalla selvittää, milloin kivi on syntynyt. 26

4. MAANKUOREN LUONNONVAROJEN MERKITYS JA KESTÄVÄ KÄYTTÖ 4 A) Maankuoren luonnonvarojen merkitys Maankuoren luonnonvaroja ovat esimerkiksi maa-ainekset kuten sora ja hiekka, kiviainekset, metallimalmit sekä energialähteet kivihiili ja öljy. Maankuoren luonnonvarat ovat ihmiselle välttämättömiä. Ihmiskunnan käyttämien materiaalien ja aineiden osalta kaikki se, mikä ei kasva, on otettava maankamarasta. Maankuoren luonnonvarat ovat uusiutumattomia. Niitä tulee käyttää kestävällä tavalla. Lisää kestävästä käytöstä on kohdassa 4B. Kivien ja muiden maankuoren luonnonvarojen käyttö Maa- ja kiviaineksia sekä metalleja käytetään rakennuksissa, koneissa, kulkuneuvoissa sekä infrastruktuurin, kuten teiden ja tieto- ja energiaverkkojen, rakentamisessa. Esimerkiksi soraa ja hiekkaa sekä kalliosta tai kivistä tehtyä mursketta käytetään rakentamisessa, betonin ja sementin raaka-aineena, teiden rakentamisessa sekä talojen perustuksissa. Malmeja sisältävistä kiviaineksista jalostetaan metalleja. Maankuoren luonnonvaroilla on tärkeä merkitys myös energianlähteinä. Perusmetallien lisäksi ihmiskunta on nykyään yhä riippuvaisempi ns. hi-tech -metalleista. Ne ovat metalleja, joita tarvitaan teknologisten laitteiden valmistuksessa, kuten piirilevyissä, matkapuhelimissa, tietokoneissa, viihde-elektroniikassa, aurinkopaneeleissa, tuulivoimaloissa ja sähköautoissa. Yksi hi-tech -metalli on litium, jota tarvitaan mm. matkapuhelinten akuissa. Hi-tech -metallit ovat suhteellisen harvinaisia. 1 Lisätietoja ja esimerkkejä kiven ja muiden maankuoren luonnonvarojen merkityksestä ja käytöstä on tehtäväosiossa, s. 54-90. 1 Mineraalistrategia, www.mineraalistrategia.fi 27