Carita Äärelä

1. Kallioperän rakoilu

Hauraita rakenteita ovat kallioperän raot ja siirrokset. Kallioperän raot ovat kiviin muodostuneita murtumispintoja. Kallioperän jännityksen aiheuttamana kiveen voi muodostua heikkouspinta, jota pitkin kivi lohkeaa osiin ja siihen muodostuu rako (kuva 1).

1.1. Kallioperän jännitystila aiheuttaa rakoilua

Kallioperän raot syntyvät erilaisten kallioperän jännitystilojen aikaansaamina. Kallioperän raot voidaan jakaa tensiorakoihin (vetomurtumat) ja hiertorakoihin (leikkausmurtumat). Tensioraot muodostuvat venytysjännityksessä tasoon, joka on kohtisuorassa pienimmän puristavan pääjännityksen (σ3) suuntaan nähden ja raon vastakkaiset puolet liikkuvat toisistaan poispäin. Hiertoraot syntyvät pääasiassa puristusjännityksessä tasoihin, jotka yleensä muodostavat n. 30°:en kulman suurimman puristusjännityksen (σ1) kanssa. Jännityksen kasvaessa niin suureksi, että se ylittää kiven murtolujuuden rajan, kivi lopulta halkeaa. Jännityksen vaikuttaessa edelleen raon eri puolilla olevat lohdot voivat liikkua toisiinsa nähden, jolloin rako muuttuu siirrokseksi (kuva 2).

Vallitsevan jännityskentän lisäksi rakojen syntyyn vaikuttavat kivilajin koostumus ja fluidien läsnäolo sekä fluidin paine. Fluidit tarkoittavat kivessä liikkuvia nestemäisiä ja kaasumaisia aineita. Yleensä ne ovat vettä ja hiilidioksidia. Rakoja muodostuu helpommin fluideja sisältävään kiveen kuin kuivaan kiveen. Korkea fluidin paine alentaa kiven murtolujuutta, jolloin hauraita rakoja saattaa muodostua myös syvällä maankuoressa, vaikka olosuhteet muuten olisivat duktiilit. Tensio- ja hiertoraot voivat antaa tietoa kallioperän aiemmista jännitystiloista. Kuitenkin on pidettävä mielessä, että samalla kalliopaljastumalla näkyvät raot ovat voineet syntyä eri aikoina ja eri syistä.

1.2. Rakoilu voi johtua erilaisista geologisista prosesseista

Rakoja muodostuu monien erilaisten geologisten prosessien tuloksena. Kerroksellisissa  kivissä näkyy yleensä vahva kerroksellisuuden suuntainen rakoilu sekä kerroksellisuutta vastaan kohtisuoraa rakoilua. Tulivuorenpurkauksessa syntyneen vulkaanisen kiven jäähtyessä siihen voi muodostua rakoja, jotka ovat poikkileikkauksessa muodoltaan kuusikulmaisia eli heksagonisia. Tällaisia basaltista muodostuneita rakopylväitä näkee esimerkiksi Pohjois-Irlannissa sijaitsevassa nähtävyyskohteessa nimeltään Giant’s Causeway. Rakoilua voi muodostua myös yllä olevan kivimassan kuluessa eroosion myötä. Syvällä olleet kivet siis kohoavat ylöspäin. Tällöin kiviin vaikuttava kokonaisjännitys sekä etenkin pystyjännitys pienenevät ja niihin muodostuu vaakarakoilua. Näin voi tapahtua esimerkiksi magmakivestä muodostuneen intruusion kohotessa ajanmyötä maanpinnalle, jolloin intruusion kontaktiin kehittyy sen myötäisiä rakoja ja kivestä irtoaa ohuita lohkoja samalla tavalla kuin sipulia kuorittaessa. Tällaista rakoilua kutsutaan eksfoliaatioksi. Osa raoista syntyy kivikerrosten taipuessa poimutuksen yhteydessä, jolloin kivi venyy poimun ulkokaarteessa ja siihen aukeaa rakoja. Toisinaan rakoihin voi saostua mineraaleja (esimerkiksi kvartsia tai kalsiittia) kivessä virtaavista fluideista, jolloin niitä sanotaan juoniksi.

2.1 Mitä ovat siirrokset?

Siirrokset ovat kallioperän rakoja, joita myöten kallioperän lohkot ovat liikkuneet toisiinsa nähden. Siirrostumista tapahtuu laattojen rajoilla sekä laattojen sisäisissä liikunnoissa. Siirrosten syntyyn vaikuttaa kallioperässä vallitseva jännityskenttä. Maankuoren jännitysenergian vapautuessa nopeasti siirrostumisen aikana voi tapahtua tuhoisia maanjäristyksiä. Siirroksen tunnistaa helpoiten silloin, kun kivessä on havaittavissa kerrostuneisuus tai muu jatkuva tasomainen piirre, joka ei jatku samassa kohdassa siirroksen toisella puolella (kuva 3).

Jotkut maapallon siirroksista ovat aktiivisia, jolloin liikkumista on tapahtunut geologisesti ajateltuna lähiaikoina. Suurin osa siirroksista ei kuitenkaan ole aktiivisia vaan niiden liikkuminen on loppunut miljoonia vuosia sitten. Suurin osa siirroksista sijaitsee syvemmällä maankuoressa näkymättömissä. Siirrokset muokkaavat maanpinnan muotoja. Siirroksissa tavataan niille tyypillisiä kivilajeja, kuten esimerkiksi siirrosbreksioita ja siirrosvahoja.

2.2 Siirroksiin liittyvät termit

Siirrosten kuvaamiseen ja luokitteluun käytetään omia termejä. Siirroksen lohkoja rajaa siirrostaso, jonka asento voi olla pystysuuntainen, vaakasuuntainen tai kalteva. Kaltevan siirrostason eri puolilla sijaitsevista lohkoista käytetään nimityksiä kattopuoli ja jalkapuoli. Kattopuoleksi kutsutaan siirrostason yläpuolella olevaa lohkoa ja jalkapuoleksi sen alapuolella olevaa lohkoa. Jos seisoisit siirrostasolla, niin alaspäin viettävä lohko olisi jalkapuoli ja pääsi yläpuolella kattopuoli (kuva 4). Siirroksia voidaan luokitella geometrian lisäksi niiden liikesuunnan mukaan. Siirrokset jaetaan kolmeen perustyyppiin, jotka ovat normaalisiirros, käänteissiirros ja sivuttaissiirros.

2.2.1. Normaalisiirros

Normaalisiirroksessa siirrostaso on kalteva ja kattopuoli liikkuu jalkapuolen lohkoon nähden alas siirrostason kaateen suuntaisesti (kuva 5). Normaalisiirrosten siirrostasot ovat melko jyrkkiä, mutta voivat loiventua alaspäin mentäessä. Alaosastaan loivenevaa normaalisiirrosta kutsutaan nimellä listrinen siirros.  Normaalisiirroksia esiintyy alueellisesti mantereisilla repeämävyöhykkeillä, missä litosfääriin kohdistuu venytysjännitystä. Niitä esiintyy myös passiivisilla mannerreunuksilla sekä valtamerten selänteillä. Esimerkkinä suuresta ja näyttävästä normaalisiirroksesta mainittakoon Isossa-Britanniassa sijaitseva The Blue Anchor Fault.

Tavallisesti tietyllä alueella esiintyvät normaalisiiirrokset rajaavat toistensa suhteen kohonneita tai vajonneita lohkoja. Vajonnutta lohkoa sanotaan hautavajoamaksi (Graben) ja kohonnutta lohkoa horstiksi (Horst). Normaalisiirrokset voivat myös muodostaa ns. half graben -rakenteen, jossa kattopuolen lohkot kääntyvät ja kaatuvat samaan suuntaan. Tätä kutsutaan myös ns. dominomalliksi. Toisinaan useat normaalisiirrokset liittyvät alaosastaan yhtenäiseen detachment-siirrokseen. Detachment-siiirrokset ovat hyvin loiva-asentoisia normaalisiirroksia, joiden siirrospintaa pitkin useat siirrokset liikkuvat yhtenäisesti (kuva 6).

2.2.2. Käänteis-  ja ylityöntösiirros

Käänteis- ja ylityöntösiirroksessa kattopuolen lohko liikkuu ylöspäin suhteessa jalkapuoleen siirrostason kaateen suuntaisesti, jolloin vanhempia kerrostumia työntyy nuorempien päälle. Ylityöntösiirrokseksi kutsutaan loiva-asentoista käänteissiirrosta, jonka siirrostason kaltevuus on 30° tai vähemmän (kuva 7). Useat siirrokset kehittyvät yleensä samansuuntaisiksi tietyllä alueella.

Käänteissiirrokset muodostuvat maankuoren puristusjännityksessä, jolloin kivilohkojen pituus lyhenee siirrostumisen aikaansaamana. Käänteissiirrokset ovat tavallisia lähentyvillä laattarajoilla ja laattojen törmäysvuohykkeissä, joissa muodostuu poimuvuoristoja. Ylityöntötektonisessa vyöhykkeessä siirrostuminen on yhteydessä poimujen syntyyn. Ylityöntösiirrosvyöhykkeissä nähdäänkin monin paikoin makaavia isokliinisiä (hyvin tiukasti poimuttuneita) ja epäsymmetrisiä poimuja. Tällöin ylityöntölaatat saattavat koostua kokonaan isokliinisistä poimuista, joissa kerrokset ovat paikoin ylösalaisin. Esimerkiksi Alpeilla on nähtävissä tällaisia rakenteita, joita kutsutaan termillä nappe (nappes). Limittäiset ylityöntösiirrokset voivat normaalisiirrosten tapaan vaihettua syvällä alaosastaan yhteneviksi detachment-siirroksiksi.

2.2.3. Sivuttaissiirros ja transformisiirros

Sivuttaissiirroksissa siirrostasot ovat tavallisesti lähes pystyjä tai hyvin jyrkkiä ja liikunnot tapahtuvat vaakasuunnassa. Sivuttaissiirrokset jaetaan kahteen ryhmään suhteellisen liikunnon perusteella. Siirros on oikeakätinen, jos havaitsijasta katsoen siirrostason toisella puolen oleva lohko on siirtynyt oikealle. Vasenkätisessä sivuttaissiirroksessa on siirroksen toisella puolen oleva lohko siirtynyt vasemmalle (kuva 8).

Sivuttaissiirroksia esiintyy laattarajoilla, joissa litosfäärilaatat liikkuvat toisiinsa nähden sivuttain. San Andreas -siirros (Kalifornia, USA) on hyvä esimerkki aktiivisesta sivuttaissiirroksesta, jossa liikunnot näkyvät maanpinnalla asti. Mantereilla ja varsinkin valtamerten selänteillä esiintyy transformisiirroksia, jotka kuuluvat sivuttaissiirroksiin, koska niiden siirrostasot ovat myös jyrkkiä ja liikunnot tapahtuvat sivusuunnassa. Transformisiirrosten liikunnot poikkeavat kuitenkin tavanomaisista sivuttaissiirroksista. Transformisiirroksen siirrostaso liittää yhteen kaksi muuta erillistä siirrosta, kuten esimerkiksi leviämisselänteen normaalisiirrokset. Siirrostuminen tapahtuu näissä  erillisissä siirroksissa ja suhteellinen liike näkyy kivilohkojen välissä (kuva 9).

Lähteet

Kearey, P., Klepeis, K. A. ja Vine, F. J. 2009: Global Tectonics. Third Edition. Wiley-Blackwell. 482 s.

Kilpeläinen, T. 2009 ja 2010: Rakennegeologian luennot. Turun yliopisto, Maantieteen ja geologian laitos.

Kähkönen, Y. ja Lehtinen, M. 1998: Geologian peruskäsitteitä. Teoksessa: Lehtinen, M., Nurmi, P. ja Rämö, T. (toim.) 1998: Suomen kallioperä – 3000 vuosimiljoonaa. Suomen Geologinen Seura, Jyväskylä. 375 s.

Marshak, S. 2005: Earth: portait of a planet. W. W. Norton & Company, Inc. New York ja Lontoo.

Van der Pluijm, B. A. 2004: Earth structure: an introduction to structural geology and tectonics. W.W. Norton & Company, Inc. New York. 656 s.