Yhteenveto Nunnanlahden Uuni Oy:n MammuttiKivi-kaivoksen materiaalitutkimusten tuloksista vuosilta 1994-2001 Kivitieto Oy Aulis Kärki ja Seppo Gehör Nunnanlahti 1km Sintef, Norway 1994 XRAL, Canada 2000 University of Oulu, Finland, Institute of Electron Optics 1994-2001
VUOLUKIVET MAANKUOREN HARVINAISIA RAKENNEOSIA Vuolukivi, englanniksi soapstone eli saippuakivi on metamorfinen kivilaji. Se on syntynyt korkeahkossa paineessa ja lämpötilassa tapahtuneiden mineraalireaktioiden kautta. Maailmanlaajuisesti vuolukivet ovat harvinaisia, ja maankuoressa ne ovat vieraita muodostumia, sillä niiden lähtömateriaalit ovat peräisin maan vaipasta eli maankuoren alapuolella olevan kehän kivimateriaaleista. Maan vaippa on kemialliselta koostumukseltaan ultraemäksinen eli se muodostuu kivilajeista, joissa piin määräosuus verrattuna muihin pääalkuaineisiin on huomattavasti pienempi kuin maankuoren tyypillisimmissä kivilajeissa. Piin sijalla ultraemäksisissä kivissä on magnesiumia ja rautaa, minkä takia niiden ominaispainot ovat merkittävästi tavallisia kivilajeja suurempia. Maankuoren tavanomaisia kivilajeja suurempi tiheys, noin 3,0 t/m 3, on myös ultraemäksisille vuolukiville luonteenomainen ominaisuus. Vuolukivinimitystä käytetään mineraalikoostumuksen ja muiden ominaisuuksien osalta hyvinkin eriluonteisista kivilajeista. Ainut yhteinen piirre kaikille vuolukivilajikkeille on se, että ne ovat talkkipitoisuutensa ansiosta suhteellisen helposti työstettäviä. Muut ominaisuudet esimerkiksi lämmönkestävyys ja lämmönvarauskyky vaihtelevat paljon, ja kaikilla vuolukiviksi kutsutuilla kivilajeilla ei ole sellaisia ominaisuuksia, joita edellytetään tulisijan valmistusmateriaaleilta. Nunnanlahden Uuni Oy:n MammuttiKivi-esiintymän vuolukivet ovat ajautuneet maan kuoriosaan vaipan syntysijoiltaan jo arkeeisena aikana, noin 2700 miljoona vuotta sitten. Tällöin kappale valtameren pohjaa ja sen alapuolista vaippaa, ns. ofioliittikompleksi, työntyi vuorenpoimutuksen ajamana itselleen vieraaseen ympäristöön, maankuoren graniittien ja muiden kivilajien joukkoon. Tarkasti rajattu osa ofioliittikompleksista eli tietty ultraemäksinen kivilajiyksikkö muuttui vuolukiveksi korkeassa paineessa ja lämpötilassa tapahtuneiden muutostapahtumien kautta. Alkuperäiseen kivimassaan tuli ulkopuolisesta lähteestä hiilidioksidia, mikä teki vuolukiven toisen pääkomponentin, magnesiitti-nimisen karbonaattimineraalin syntymisen mahdolliseksi. Toisen päämineraalin, talkin synty liittyi tähän samaan muuttumistapahtumaan. Tässä yhteydessä alkuperäinen kivi laji MammuttiKiven 15 milj. m 3 :n emäkallio. Tähän mennessä avattu kaivos. Nunnanlahden Uuni Oy:n kaivospiirin rajat on merkitty katkoviivalla. Kuva 1. MammuttiKivi-esiintymä ja kaivospiirialue. 2 MammuttiKivi
muuttui ratkaisevasti kemialliselta koostumukseltaan, mitä ilmiötä kutsutaan metasomatoosiksi. Lopullisen asunsa MammuttiKivi-esiintymän vuolukivet saivat useiden vuorenpoimutustapahtumien myötä. Näiden tektonisten, koko maankuorta muovanneiden tapahtumien vaikutuksesta materiaalia puristettiin ja hierrettiin useita kertoja prosesseissa, jotka kestivät kymmeniä miljoonia vuosia. MammuttiKivi-esiintymän vuolukivet muodostavat pitkänomaisen, linssimäisen kivilajiesiintymän, jonka pitkänomaiseksi venytetty geometrinen muoto on syntynyt edellä mainittujen tektonisten liikuntojen seurauksena. MammuttiKiveksi nimetty, poikkeuksellisen korkealuokkainen, pääosin magnesiitista ja suuntautuneesta talkista koostuva vuolukivimuunnos, muodostaa merkittävän osan tästä esiintymästä. Kuvassa 1 on esitetty MammuttiKivi-esiintymää rajaavan kaivospiirin ja kaivoksen paikka. Esiintymän paikkatiedot perustuvat Nunnanlahden Uuni Oy:n tekemiin selvityksiin. MammuttiKiven läpikotainen suuntaus eli lustarakenne noudattaa esiintymän pituusakselin suuntaa. Viimeisessä kehitysvaiheessaan kiven talkkilustat ovat pohjois-eteläsuuntaisen tektonisen puristuksen ansiosta rypyttyneitä. Näiden kaikkien tapahtumien yhteisvaikutuksesta MammuttiKivi on nyt voimakkaasti suuntautunutta, ns. lustarakenteista kiveä. MammuttiKivi on harvinaislaatuinen vuolukivimuunnos, jonka mikrorakenne tekee sen poikkeuksellisen hyvin tulisijan rakennusmateriaaliksi sopivaksi. MammuttiKivi tulisijamateriaalina MammuttiKivi on valtaosin magnesiitista ja suomumaisesta, suuntautuneesta talkista koostuvaa talkki-magnesiittityypin vuolukiveä, joka soveltuu hyvin käytettäväksi tulisijamateriaalina. MammuttiKivi-esiintymä ei ole kivilajiensa osalta tasalaatuinen, koko esiintymän laajuudessa tarkasti samasta vuolukivityypistä koostuva, vaan siitä on rajattavissa erilaisia ja erilaisiin käyttökohteisiin parhaiten soveltuvia muunnoksia. Esiintymän MammuttiKivistä on rakennettavissa pitkään käyttökuntoisia ja vaativatkin tarpeet tyydyttäviä tulisijarakenteita, kun kuhunkin tulisijarakenteeseen valitaan vaatimukset täyttävä ja rakenteeseen soveltuva MammuttiKivi-muunnos. Tulisijassa korkeimmat termiset rasitukset kohdistuvat tiettyihin tulipesän rakenneosiin. Näissä Mammutti- Kivi on oikein käytettynä kestävä ja hyvin toimiva materiaali, kun rakenteet on valmistettu oikein suunnatusta, pienirakeisesta ja suomumaista, suuntautunutta talkkia sisältävästä MammuttiKivi-tyypistä. Karkearakeista magnesiittia sisältävät muunnokset soveltuvat parhaiten tulipesän ja savukanavien vähemmän kuumien rakenteiden materiaaleiksi, jotka eivät lämpene yli 500 C:een. Karkearakeiset MammuttiKivet soveltuvat luonnollisesti myös tulisijan ulkokuoreen, jonka lämpötila jää normaalikäytössä alle 200 C:een. MammuttiKivi lämmönvaraajana ja lämmönjohteena Tulisijamateriaaleilta edellytetään hyvää lämmönvarauskykyä ja niiden on sovelluttava lämmönjohtavuutensa osalta tulisijakäyttöön. Lämmönvarauskyky ja ominaislämpökapasiteetti määräytyvät sellaisissa kivimateriaaleissa, joissa on niukasti huokostilaa, suoraan kiven mineraalikoostumuksen perusteella. Magnesiitilla ja talkilla on tietyt, kokeellisesti määritettävissä olevat ominaislämpökapasiteetit. Kyseisiä mineraaleja kumpaakin puoliksi sisältävän MammuttiKiven ominaislämpökapasiteetti on laskettavissa puhtaiden komponenttien ominaisuuksien perusteella. MammuttiKiven ominaislämpökapasiteetti on määritetty kokeellisesti kolmesta tuotantomateriaaleja edustavasta näytekappaleesta, ja se on 0 C lämpötilassa 790 820 J/kgK nousten 910 930 J/kgK:iin +50 C:ssa. Lämmönjohtavuuden osalta suuntautuneisuus tekee MammuttiKivestä anisotrooppisen, eli lämmönjohtavuus on kivessä eri suuntiin erilainen. Se on suoraan verrannollinen mm. kiven sisäiseen rakenteeseen ja suuntautuneisuuteen. Tasomaisesti voimakkaasti suuntautuneilla eli liuskeisilla, viivauksellisiksi rypyttyneillä ja vähemmän suuntautuneilla MammuttiKivillä (kuva 2) on kullakin oma tyypillinen karakteristiikkansa lämmönjohtavuus- ja kuumuudenkesto-ominaisuuksissa. Lustarakenteisen, tasomaisesti suuntautuneen MammuttiKiven lämmönjohtavuus on lustan tasossa suurimmillaan ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa pienimmillään. Absoluuttinen lämmönjohtavuusarvo on lämpötilasta riippuva ja määräytyy MammuttiKiven mineraalikoostumuksen sekä keskimääräisen raekoon perusteella. Talkki-magnesiittityyppisen, lustarakenteisen, +50 celsius-asteisen MammuttiKiven lämmönjohtavuusarvo on kohtisuorasti lustasuuntaa vastaan 2 4 W/mK ja lustan tasossa tyypillisesti 4 5,5 W/mK. Tasomaisesti suuntautunut MammuttiKivi soveltuu näin ollen rakenteisiin, joissa lämmönjohtavuuden ja kiven suuntauksen välistä suhdetta voidaan hyödyntää. Suuntautunut, pienirakeinen magnesiittia sisältävä MammuttiKivi-muunnos, on kokeiden perusteella myös voimakasta lämpörasitusta hyvin kestävä. Viivauksellisten, kiharaiseksi rypyttynyttä talkkia sisältävien MammuttiKivi-muunnosten lämmönjohtavuus on hyvä yhdessä viivasuunnassa ja selvästi pienempi tätä vastaan kohtisuorissa suunnissa. Tässäkin tapauksessa lämmönjohtavuuden absoluuttiset arvot ovat suoraan verrannollisia materiaalin lämpötilaan ja kiven raekokoon. Lämmönjohtavuusarvoksi on mitattu +50 celsiusasteisen MammuttiKiven viivauksen suunnassa MammuttiKivi 3
A. B. Kuva 2. A. Viivauksellinen MammuttiKivi, joka soveltuu parhaiten ankarimpiin termisiin rasitusoloihin, esimerkiksi tulipesässä liekin kuumimman osan lähelle. B. Suuntautunut, hieno- tai karkearakeinen MammuttiKivi. Tuli sijassa se soveltuu parhaiten rakenteisiin, joissa voidaan hyödyntää kiven suuntauksen ja lämmönjohtavuuden välistä riippuvuutta. C. C. Karkearakeinen, vähemmän suuntautunut MammuttiKivi, joka soveltuu nopeasti varautuvana tulisijan viileimpien osien rakenteisiin ja ulkokuorirakenteisiin. Hyvän lämmönjohtamisen ansiosta kivi kierrättää lämpöä kuumista kohden kylmempiin kiviin ja siten hidastaa lämmönluovutusta. 4 5,5 W/mK ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa 2 3 W/mK. Pienirakeiset MammuttiKivet, joissa tasomainen lustarakenne on pienoispoimuttunutta tai rypyttynyttä, ovat korkealaatuisimpia, ja juuri ne kestävät voimakasta lämpörasitusta parhaiten. Ne soveltuvat hyvinkin ankariin termisiin rasitusoloihin sijoittettaviin rakenteisiin. Tästä hyvänä osoituksena ovat MammuttiKivi-tyypistä määritetyt korkeat pirstoluvut. Vähemmän suuntautuneet MammuttiKivi-tyypit ovat ominaisuuksiltaan lähes isotrooppisia. Niiden lämmönjohtavuuksien absoluuttiset arvot määräytyvät edellä kerrotun mukaisesti materiaalin lämpötilan, koostumuksen ja keskimääräisen raekoon perusteella. Suuri raekoko saa aikaan hyvän lämmönjohtavuuden. Karkearakeinen MammuttiKivi ei ole jyrkkiä lämpötilamuutoksia parhaiten kestävää, mutta se soveltuu hyvin esimerkiksi tulisijan ulkokuorirakenteisiin, joita ei kuumenneta yli 500 C lämpötilaan ja joissa kiven pinnan suuntainen hyvä lämmönjohtavuus kierrättää lämpöä ja näin jakaa sitä koko tulisijan massaan. Lämpörasituksen ja nopeiden lämpötilamuutosten kesto 4 MammuttiKivi Standardin DIN 51 068 (part1) mukainen pirstolukukoe on yleisesti hyväksytty menetelmä testattaessa materiaalin kykyä kestää toistuvia, jyrkkiä lämpötilamuutoksia. Pirstokokeessa vuolukivi joutuu selvästi ankaramman lämpörasituksen kohteeksi, kuin milloinkaan uunikäytössä. Koe antaa kuitenkin hyvän kuvan materiaalin soveltuvuudesta termisesti ankarimpiin rasitusolosuhteisiin. Koe tapahtuu siten, että kuiva kivisylinteri asetetaan 950 C lämpötilaan 15 minuutiksi, upotetaan sen jälkeen viideksi minuutiksi juoksevaan, 20 C lämpöiseen veteen, minkä jälkeen näytekappaleen annetaan kuivua eksikaattoriuunissa. Käsittelyä toistetaan niin monta kertaa, että näytesylinteri lohkeaa kahdeksi tai useammaksi kappaleeksi. Tämän kokeen tulosten perusteella MammuttiKiven sisäinen rakenne eli tekstuuri on osoittautunut mineraalikoostumuksen ohella keskeiseksi kestävyyteen vaikuttavaksi tekijäksi. Hienorakeisesta magnesiittista ja pienisuomuisesta, rypyttyneesti suuntautuneesta talkista koostuva MammuttiKivi antaa kokeesta lähes maksimaalisen tulosarvon. Karkearakeiset, epähomogeeniset ja muita komponentteja, esimerkiksi talkin sijalla runsaasti kloriiittia sisältävät vuolukivityypit voivat murentua jauheeksi jo muutaman käsittelykerran jälkeen. Kuvassa 3 on MammuttiKivestä valmistettu näytesylinteri testin jälkeen. Näyte on lohkeillut ja haljennut kahtia, mutta materiaali on vielä lähes kolmenkymmenen kuumennuskerran jälkeen varsin kovaa. Koesylinteri on lohjennut kahdeksi kappaleeksi 28 kuumennuskerran jälkeen, eli se on saavuttanut pirstolukuarvon 28. Huomattakoon, että korkein arvo, minkä materiaali voi tässä kokeessa saavuttaa, on 30. Standardiohjeen mukaisesti koe keskeytetään, jos materiaali kestää murtumatta kolmekymmentä kuumennuskertaa.
Kuva 3. Hienorakeisesta, suuntautuneesta ja rypyttyneestä MammuttiKivestä koostuva näytesylinteri pirstokokeen jälkeen. Kokeessa näytemateriaali on saavuttanut lähes maksimaalisen arvon eli pirstoluvun 28. Mitä vuolukivelle tapahtuu korkeissa lämpötiloissa? tarkastelemalla TG/DT-analyysien tuloksia. Kuvassa 4 on esitetty tyypillisen, noin puolet talkkia ja puolet magnesiittia sisältävän MammuttiKiven TG/ DT-analyysin tulos. Kuvassa violetti TGA-käyrä kuvaa massamuutoksia ja referenssikorjaamaton, vihreä DTAkäyrä tapahtuneiden faasimuutosten vaatimia tai tuomia reaktiolämpöjä. Kuvaajasta käy hyvin selville, että mitään merkittäviä muutoksia ei tapahdu ennen, kuin MammuttiKivi saavuttaa 520 540 C lämpötilan. Kyseisessä lämpötilassa alkaa endoterminen, ulkopuolista lämpöenergiaa vaativa reaktio, joka muuttaa magnesiitin magnesiumoksidiksi, eli periklaasiksi ja kaasuna vapautuvaksi hiilidioksidiksi. Hiilidioksidi poistuu kaasuna, ja koko kiven massa pienentyy noin 20 %. On huomattava, että kokeessa koko MammuttiKivimassa on kuumennettu yli 520 C lämpötilaan. Tulisijassa tämä massamuutos koskee luonnollisesti vain sitä osaa kiveä, joka on kuumentunut periklaasiklaasireaktion edellyttämään lämpötilaan, eli tavallisesti 5 10 mm:n syvyyteen kuumimmista pinnoista. Syntynyt periklaasi on pysyvä vielä hyvin korkeissa lämpötiloissa, eli vielä 1600 C:ssa. Tulisijassa ei ole käytännössä mahdollista saavuttaa niin korkeita lämpötiloja, että periklaasi muuttuisi tai korvautuisi jollakin uudella mineraalilajikkeella. Toinen MammuttiKivelle tyypillinen reaktio alkaa 840 C lämpötilassa. Kyseinen reaktio sitoo energiaa, ja samalla MammuttiKiven massa pienentyy noin kahdella prosentilla. Käytännössä tässä reaktiossa vapautuvat talkkiin sitoutuneet hydroksyyliryhmät. Jäljelle jää kiinteä ja perusrakenteensa osalta vielä kestävä kivimateriaali, ja vain vesi poistuu massasta. Koe osoittaa yksiselitteisesti, että talkki säilyy vielä näin korkeassa lämpötilassa pysyvänä ja MammuttiKiven rakennetta koossapitävänä sekä yhä lämpöä johtavana materiaalina (kuvat 3 ja 5). Tulisijaa lämmitettäsessä puun palamislämpötila on korkeimmillaan 800 1200 C, mutta tulipesän kuumimmat kivet lämpenevät Nunnanlahden Uuni Oy:n tekemien selvitysten perusteella pintaosastaan normaalikäytössä korkeintaan 650 C:een lämpötilaan. Jokaisella mineraalilajilla on tarkasti tunnetut ja termodynaamisesti määrätyt pysyvyysalueet erilaisissa paine-lämpötilaolosuhteissa. Tulisijoissa käytännössä ainut merkittävä muuttuja on lämpötila ja erityisesti se maksimilämpötila, jonka tietyssä tulisijan rakenneosassa oleva kivi voi koskaan saavuttaa. Materiaalin käyttäytymistä ja siinä tapahtuvia reaktioita eri lämpötiloissa voidaan tutkia ns. termogravimetrisella analyysillä (TGA) ja differentiaalitermisellä analyysillä (DTA). Ensin mainitun avulla selvitetään massamuutoksia eri lämpötiloissa tapahtuvissa mineraalireaktioissa ja toisella näiden tuottamia tai kuluttamia reaktiolämpöjä. Vuolukivien käyttäytymisestä korkeissa lämpötiloissa saadaan hyvä kuva Kuva 4. Talkkia ja magnesiittia sisältävän MammuttiKiven TGA/DTA-analyysin tulos. Ensimmäinen terminen reaktio tapahtuu 520 C läpötilassa, missä magnesiitti muuttuu periklaasiksi (piste A). Toinen reaktio (piste B) on talkin dehydroksylaatioreaktio tai reaktio, jossa OH-rymät poistuvat talkista noin 840 C lämpötilassa. MammuttiKivi 5
Kuva 5. Polarisaatiomikroskooppikuva hienorakeisesta, 850 C lämpö tilassa uudelleenkiteytyneestä MammuttiKivestä. Mustana erottuva mineraali on periklaasia. Kuva osoittaa että vaaleana tai punasävyisenä erottuva talkki on hydroksyyliryhmien poistumisen jälkeenkin yhtenäistä ja rakennetta koossapitävää massaa. Tulisijassa materiaalin saavuttamat maksimilämpötilat ovat jälkikäteen helposti arvioitavissa, sillä periklaasiksi muuttuneiden karbonaattimineraalien esiintymisalueet voidaan tunnistaa yksiselitteisesti jo tavallisen mikroskooppitutkimuksen avulla. Periklaasiutuneen vyöhykkeen vahvuus pitkään käytössä olleen tulipesän rakenteissa on enimmillään noin 30 mm, jolloin tutkitun leivinuunin paistolämpötila oli kohotettu tutkimustarkoituksessa yli 400 C:een. Kyseinen lämpötila on huomat- tavasti korkeampi kuin mikä käyttöohjeiden mukaisesti lämmitettäessä on saavutettavissa. Tavallisimmissa tulipesän ja savukanavien rakenteissa (kuva 6) periklaasia sisältävän vyöhykkeen vahvuus on muutamia millimetrejä kuumimmista pinnoista, mikä osoittaa, että vain pieni osa tulisijan koko massasta on saavuttanut magnesiitti periklaasireaktion edellyttämän lämpötilan. Kuva 6. Normaalisti lämmitetyn tulisijan tulipesässä ollut MammuttiKivi. 6 MammuttiKivi Kuva 7. Polarisaatiomikroskooppikuva voimakkaasti suuntautuneesta MammuttiKivestä, jossa harmaana ja tummana erottuvat magnesiittirakeet. Rakeet ovat noin 0,5 mm halkaisijaltaan. Suuntautuneet talkkisuomut erottuvat sinivihreinä.
MammuttiKiven rakenneosaset, mineraalit Vuolukiven niin kuin tosiasiassa kaikkien muidenkin kivilajien ominaisuudet ovat kiven perusrakenneosasten, mineraalien ominaisuuksista riippuvaisia. Jotkut mineraalit ovat kovia ja jotkut taas pehmeitä, joillakin on kyky kestää korkeita lämpötiloja kun taas toiset ovat pysyviä vain muutaman sadan celciusasteen lämpötilaan. Vuolukivet voivat koostua erilaisista, ominaisuuksiltaan toisistaan paljonkin poikkeavista mineraaleista, ja erityyppisten vuolukivien ominaisuudet saattavat poiketa toisistaan ratkaisevastikin. Voidakseen ymmärtää erilaisten vuolukiven ominaisuudet kokonaisuutena on välttämätöntä tuntea ja ymmärtää kivien perusrakenneosasten, mineraalien ominaisuudet. Mineraali on kiinteä, kiteinen materiaali, joka on synty-ympäristössään tasapainoinen ja pysyvä. Sillä on tietty, mineralogisesti tarkasti määriteltävä kemiallinen koostumus ja kiderakenne, eli mineraalin sisällä mineraalin hilassa jokaisella alkuaineella on tarkasti määrätty paikkansa. Vain tietyt, rajalliset koostumusvaihtelut ovat mahdollisia. MammuttiKivi-esiintymän kuumuudenkestävyydeltään paraslaatuisin kivi koostuu pääosin vain kahdesta mineraalilajikkeesta, magnesiitista ja talkista. MammuttiKiven lämmittäminen yli 520 ºC lämpötilaan voi synnyttää uuniolosuhteissa uuden mineraalilajikkeen, periklaasin. Seuraavassa on lyhyt esitys näiden mineraalilajien ominaispiirteistä. Magnesiitti Magnesiitti, MgCO 3 magnesiumkarbonaatti, on väriltään valkoinen, harmahtava tai keltaisenruskea mineraali, jonka kovuus on hieman ihmisen kynttä suurempi. Mohsin asteikolla sen kovuus on 3,5 4,5, kun esimerkiksi ikkunalasin kovuus on tällä logaritmisella asteikolla 7. Magnesiitin ominaispaino vaihtelee välillä 2,96 3,1, eli se on yli kolme kertaa painavampaa kuin vesi. Kemialliselta koostumukseltaan ideaalinen magnesiitti sisältää MgO:a 47,8 % ja CO 2 :a 52,2 %. Mineraalin hilassa magnesiumin paikalle voi sitoutua myös rautaa, ja MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKiven raudasta valtaosa on sijoittunut juuri magnesiittiseen karbonaattimineraaliin korvaten noin kymmenesosan magnesiumkationeista mineralin hilassa. Kuvassa 8 on esitetty malli magnesiittisen karbonaatin kiderakenteesta. Kiderakenteensa takia magnesiitin ominaisuudet ovat jossain määrin suunnasta riippuvaisia. Esimerkiksi lämpölaajentuminen on mineraalin C-akselin suunnassa hieman suurempaa kuin sitä vastaan kohtisuorissa suunnissa. C-akselin suuntainen lämpölaajentumisvakio on 22,9*10-6 / C ja sitä vastaan kohtisuorissa suunnissa 6,75*10-6 / C. Ominaisuuksiin vaikuttaa myös se, missä määrin rauta on korvannut magnesiumia mineraalin rakenteessa. Esimerkiksi ominaispaino kasvaa lineaarisesti raudan määräsuhteen kasvun myötä. Mammutti- Kiven magnesiitissa raudan ja magnesiumin suhde on noin 1:9, ja sen takia mineraalin ominaispaino on ideaalista magnesiittia suurempi, noin 3,05. Mineraalin hilassa kaikki rakenneosaset ovat asettuneet massapisteinä kolmeen, toisiaan vinosti leikkaavaan tasoon. Tämä perusrakenne toistuu suurtenkin mineraalirakeiden muodoissa (kuva 8), ja karbonaatin hyvä lohkeavuus kolmessa, omamuotoisen rakeen kidepintojen suuntia noudattavassa tasossa seuraa tarkasti em. perusrakenteen tasosuuntia. Hiili Magnesium tai rauta Happi C-akseli C-akseli Kuva 8. Magnesiitin kidekemiallinen perusrakenne (yläkuva), omamuotoinen magnesiittirae (alla vasemmalla) ja C-kideakselin geometrinen asema magnesiittirakeessa. MammuttiKivi 7
Periklaasi Periklaasi eli magnesiumoksidi, MgO, syntyy magnesiitista kuumennettaessa seuraavan reaktion mukaisesti: MgCO 3 + lämpö (T > 520 C) -> MgO + CO 2 Periklaasi on kiinteänä varsin kovaa, Mohsin asteikolla sen kovuus on 6 ja ominaispaino vaihtelee välillä 3,58 3,90. Magnesiitista syntyneet periklaasirakeet ovat kuitenkin erittäin pieniä, ja silmin yksittäisiä rakeita ei ole mahdollista erottaa. Muuttumistuloksena on nähtävissä ruskehtava tai musta, mikrokiteinen massa (kuva 5). Talkki Talkki kuuluu mineralogisessa luokituksessa ns. verkkosilikaattien ryhmään, ja kaikki sen ominaisuudet on helpointa ymmärtää tarkastelemalla lähemmin sen kidekemiallista perusrakennetta. Talkin ideaalinen kemiallinen kaava on muotoa: Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2. Pii ja happi muodostavat verkkomaisen rakenteen (kuva 9), jossa komponentit ovat lujimpien mahdollisten kemiallisten sidosten, ioni- ja kovalenttisidosten yhdistämiä. Tämän johdosta talkin pii-happirunko on erittäin kestävä ja mikroskooppisen pienet suomumaiset talkkirakeet ovat perusverkkonsa osalta lujia. Talkin kovuus on Mohsin asteikolla kuitenkin vain 1, eli se on eräs pehmeimmistä tunnetuista mineraaleista. Pehmeys aiheutuu siitä, että pii-happiverkkojen väleihin sijoittuvat magnesiumkationit ovat vain heikkojen kemiallisten sidosten avulla kiinni pii-happiverkossa. Hydroksyyliryhmät (OH) ovat myös heikosti mineraalin hilaan sidottuja. Tämän seurauksena yksittäiset, mikroskooppisen pienet talkkisuomut lohkeavat helposti irti toisistaan ja ovat hyvin toisiaan vasten luistavia. Tästä aiheutuu yksi talkin tyypillisimmistä tunnuspiirteistä, mineraali pinta tuntuu rasvaisen liukkaalta. Talkin ominaispaino vaihtelee välillä 2,7 2,8, eli sen tiheys on jossain määrin pienempi kuin magnesiitin, mutta kuitenkin suurempi kuin maankuoren kivilajien keskitiheys. Kiderakenteen sivuprojektio Pii-happirunko päältäpäin pii magnesium happi OH-ryhmä Kuva 9. Talkin kidekemiallinen rakenne, pii-happirungon projektiokuva päältäpäin ja kideakseleiden (X, Y ja Z) sekä optisten akseleiden (a, b ja c) geometrinen asema talkkisuomussa. 8 MammuttiKivi
MammuttiKiven sisäinen rakenne tekstuuri Mineraalirakeiden muodot, koot ja suuntautuneisuus vaihtelevat MammuttiKivi-esiintymän kivityypeissä. MammuttiKivessä talkki on tyypillisesti pienisuomuista ja se voi muodostaa magnesiittirakeita ympäröivän suuntautuneen, yhtenäisen verkoston. Magnesiitti voi sen sijaan esiintyä pitkänomaisina jyväsinä tai pyöreäpiirteisinäkin rakeina suuntautuneessa talkkimassassa. Magnesiittirakeiden läpimitat voivat vaihdella alle 0,5 mm:stä aina 10 15 mm:iin saakka. Yksittäiset hajarakeet voivat olla vielä tätäkin suurempia. MammuttiKivi-esiintymän kivi on rakenteensa perusteella luokiteltavissa kolmeen eri päätyyppiin, joilla kaikilla on omat erityispiirteensä. Voimakkaan liuskeisuuden tai lustarakenteen omaavien MammuttiKivien kaikki rakeet ovat selvästi tiettyyn tasoon suuntautuneita. Etenkin suomumaiset mineraalit ovat varsin systemaattisesti tietyn tason suuntaan asettuneita. Tällaiset MammuttiKivi-muunnokset ovat parhaiten yhteen suuntaan lohkeavia ja esimerkiksi lämmönjohtavuus on merkittävästi parempi lustan tasossa kuin sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tekstuuriltaan tällainen, pienirakeinen MammuttiKivi on oikean suuntaisesti aseteltuna hyvin voimakasta lämpörasitusta kestävä. Voimakkaasti viivauksellisten, rypyttyneiden MammuttiKivien viivamaisesti symmetrinen rakenne aiheutuu pitkänomaisten magnesiittirakeiden asettumisesta systemaattisesti tiettyyn viivasuuntaan, ja siitä, että talkkisuomupinkat ovat rypyttyneet poimuiksi. Tällaiset poimurakenteiset MammuttiKivet ovat kaikissa suunnissa mekaanisesti lähes yhtä lujia, mutta lämmönjohtavuus on poimuharjan suuntaan parempi kuin muihin suuntiin. Tällaiset pienirakeiset, rypytetyt MammuttiKivi-muunnokset ovat termistä rasitusta, esimerkiksi toistuvaa, voimakasta kuumennusta ja jäähdytystä parhaiten kestäviä. Talkki muodostaa magnesiittirakeita kehystävän verkoston tai sisäänsä sulkevan mineraalimassan (kuva 10), joka lisää MammuttiKiven kykyä kestää korkeita lämpötiloja ja suuria lämpörasituksia. Tämä vuolukivimuunnos edustaa korkealuokkaisinta MammuttiKiveksi nimettyä vuolukivityyppiä. Edellisiä massamaisemmat ja heikommin suuntautuneet MammuttiKivet ovat talkin osalta satunnaisesti suuntautuneita mutta kiven magnesiittirakeet saattavat ovat dimensioiltaan kaikkiin suuntiin samanlaisia. Massamaisten MammuttiKivi-muunnosten lämmönjohtavuus on kaikkiin suuntiin likimain samanlainen ja se on lämpötilan lisäksi suoraan verrannollinen kiven keskimääräiseen raekokoon. Kuva 10. Pienirakeinen talkki-magnesiittityypin MammuttiKivi polarisaatiomikroskooppikuvassa. Pienisuomuinen talkki erottuu kuvassa vihreänä. Siitä muodostuva massa ympäröi noin puolen mm:n läpimittaisia, harmaana eroottuvia magnesiittirakeita. Valokuva on otettu kiven viivauksen suunnasta, eli harmaina erottuvien magnesiittirakeiden ja talkin pisimmät dimenssiot ovat kuvan ottosuuntaan. MammuttiKivi 9
MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivi-tyypit MammuttiKivi-esiintymän kivi on voimakkaasti suuntautunut, päämineraaleinaan parhaimmillaan vain talkkia ja magnesiittia sisältävä liuske. Lisäkomponentteina siihen sisältyy pieniä määriä muita silikaattimineraaleja, serpentiiniä ja kloriittia sekä rautapitoisia oksidimineraaleja. MammuttiKivi-esiintymän hyvälaatuisessa MammuttiKivessä näitä lisämineraaleja on enimmilläänkin vain muutamia prosentteja kiven tilavuudesta, eli se mineraalikoostumuksen perusteella luokittuu yksiselitteisesti talkki-magnesiittityyppiseksi kiveksi. Mikroskooppimääritysten mukaan MammuttiKiviesiintymän kivien mineraalikoostumus on talkin osalta jokseenkin vakio. Sen tyypillinen MammuttiKivi sisältää talkkia 45 55 %, magnesiittia 30 50 % ja lisämineraaleina satunnaisesti kloriittia, serpentiiniä sekä oksidisia malmimineraaleja (kuva 11). Serpentiiniä sisältyy analysoituihin näytteisiin alle kymmenen prosenttia, ja kloriittipitoisuus jää poikkeuksetta alle kahteen prosenttiin. MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivistä teetettiin kemiallista koostumusta koskeva selvitys kanadalaisessa analyysilaboratoriossa, XRAL:ssa. Esiintymän MammuttiKivet osoittautuivat kemialliselta koostumukseltaan keskenään samankaltaisiksi (kuva 12), eli niihin sisältyy piitä SiO2:na noin 30 %, magnesiumia MgO:na 35 % ja rautaa FeO:na 10 % sekä karbonaattin rakenneosaksi hiilidioksidia hieman yli 20 %. Kuva 11. MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivien modaalisia mineraalikoostumuksia. 100% 80% Pitoisuus 60% 40% 20% 0% Hir Ker Kar S3 SiO 2 Al 2O3 CaO MgO Na 2 O K 2 O Fe O 2 3 CO 2 Kuva 12. MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivien kemiallisia koostumuksia. 10 MammuttiKivi
MammuttiKivissä hiilidioksidi on sitoutunut karbonaattimineraaleihin, ja hiilidioksidipitoisuus indikoi suoraan kiven magnesiittipitoisuutta. Muita alkuaineita esiintymän MammuttiKiviin sisältyy vain pieniä määriä, esimerkiksi alumiinipitoisuus on keskimäärin vain 0,6 % Al 2 O 3 :a ja muiden alkuaineiden määrät vielä tätäkin pienempiä. Alumiinipitoisuus on merkittävä parametri MammuttiKiven kemiallisessa koostumuksessa siksi, että alumiini on yksi keskeinen alkuaine esimerkiksi kloriiteissa ja kiillemineraaleissa. Näiden kummankaan mineraalin liiallinen esiintyminen ei ole tulisijakäytön kannalta vuolukiville eduksi. Mainittujen alumiinia sisältävien mineraalilajikkeiden syntyminen ei ole mahdollista, jos kiviaines ei sisällä alumiinia, ja siksi pieni alumiinipitoisuus on edullinen ominaisuus hyvälaatuiselle Mammutti- Kivelle. Vuolukivimääritelmän mukaisesti kaikkiin vuolukiviin on sisällyttävä merkittävä määrä talkkia, mutta muiden mineraalien määräsuhteet ja lajit voivat vaihdella hyvinkin laajasti. Talkin lisäksi yleisimmissä vuolukivityypeissä päämineraaleina esiintyvät mineraalilajit ovat kiillemineraaleja, kloriittia, amfiboleja, pyrokseeneja ja serpentiinimineraaleja. Tähän perustuen vuolukivet voidaan ryhmitellä kiillepitoisiksi vuolukiviksi, kloriittipitoisiksi vuolukiviksi jne. Magnesiittia sisältävät muunnokset ovat vuolukivinä verrattain harvinaisia, mutta magnesiitilla on kuitenkin tärkeä rooli vuolukiven lämmönvarauskyvyn lisääjänä. Tekemiemme selvitysten perusteella MammuttiKivi-esiintymä koostuu talkki-magnesiittyypin kivistä, jotka ovat kemiallisen- ja mineraalikoostumuksensa osalta varsin tasalaatuisia. MammuttiKiven sisäisen rakenteen perusteella MammuttiKivi-esiintymästä on rajattavissa erityyppisiä muunnoksia, joiden kunkin ominaispiirteitä parhaalla tavalla hyödyntäen voidaan MammuttiKivimateriaalille saada tulisijakäytössä merkittävää materiaaliteknistä lisäarvoa. Oulussa 28.5.2001 Kivitieto Oy Seppo Gehör Fil. tri, geologi Aulis Kärki Fil. tri, geologi Tässä uusintapainoksessa on otettu käyttöön Nunnanlahden Uuni Oy:n rekisteröimä tuotenimi, MammuttiKivi, jolla tarkoitetaan Nunnan lahden Uuni Oy:n kaivospiirin kaikkia vuolukivimuunnoksia. Uutta nimityskäytäntöä lukuun ottamatta tämä selostus vastaa sisällöltään alkuperäistä, vuonna 2001 julkaistua tutkimusraporttia. Oulussa 31.1.2005 Kivitieto Oy Seppo Gehör Fil. tri, geologi Aulis Kärki Fil. tri, geologi MammuttiKivi 11