Carita Äärelä

1. Mitä deformaatio tarkoittaa?

Deformaatio tarkoittaa geologiassa kivien muodon, paikan ja asennon muuttumista. Deformaatiossa kivien alkuperäinen rakenne muuttuu ja niihin syntyy uusia geologisia rakenteita, kuten rakoilua, siirroksia, poimuja, lineaatioita ja liuskeisuutta. Deformaation aiheuttamat muutokset voivat näkyä myös mikroskooppisessa mittakaavassa (kuva 1).

Deformaatiota tapahtuu, kun kivet joutuvat syntyolosuhteistaan poikkeavaan paineeseen ja lämpötilaan sekä kallioperässä vaikuttavaan heterogeeniseen jännityskenttään. Deformaatiossa  kallioperän lohko voi siirtyä paikasta toiseen (translaatio), sen asento voi muuttua (rotaatio) ja lohkon koko tai muoto (muodonmuutos) voivat muuttua. Usein deformaatio esiintyy edellä mainittujen yhdistelmänä (kuva 2).

2. Jännityskenttä ja deformaatio

Kallioperän jännitystila voi olla luonteeltaan puristusjännitystä, venytysjännitystä tai hiertojännitystä. Kiven muoto voi venytysjännityksessä pidentyä ja puristuksessa taas lyhentyä. Hierrossa jännitys kohdistuu kiveen vinossa kulmassa, jolloin kiven muoto muuttuu hiertymällä (kuva 3). Kivien deformoituessa jännitystilojen suuruus voi vaihdella eri suunnissa. Maankuoren jännitystilaa (suunta ja voimakkuus) kuvataan kolmella akselilla suorakulmaisessa koordinaatistossa, jossa σ1 (σ = sigma) tarkoittaa suurinta puristavan pääjännityksen suuntaa, σ3 taas pienintä ja σ2 tarkoittaa näiden kahden jännityksen väliltä suuruudeltaan keskimääräistä jännityskenttää (σ1≥ σ2 ≥ σ3). Erot näiden eri suuntaisten ja voimakkuudeltaan eri suuruisten jännityksien välillä aiheuttavat kallioperään jännitystilan, jota kutsutaan nimellä differentiaalistressi. Aina kallioperään ei kuitenkaan kohdistu muita jännitystiloja kuin yllä olevien kivimassojen paino eli litostaattinen paine.

3. Kallioperän hauras ja duktiili deformaatio

Kivet voivat deformoitua hauraasti tai muovautuvasti eli duktiilisti. Deformaatiotapa riippuu päällä olevan kivimassan painosta eli litostaattista paineesta, lämpötilasta, prosessiin kuluneesta ajanjaksosta ja kivilajin koostumuksesta. Kivet deformoituvat yleensä hauraasti yläkuoressa eli lähellä maan pintaa, koska lämpötila ja litostaattinen jännitys ovat alhaisia. Hauraassa deformaatiossa kivi murtuu ja kiveä koossa pitävät sidokset katkeavat ja kivi halkeaa. Tuloksena syntyy rakoja ja siirroksia. Syvemmällä maankuoressa litostaattinen jännitys ja lämpötila kasvavat ja kivet käyttäytyvät duktiilisti. Duktiilissa deformaatiossa ei tapahdu sidosten katkeamista. Poimut, liuskeisuus ja lineaatiot ovat duktiilin deformaation tulosta. Yläkuoren ja alakuoren välillä  noin 10–15 km:n syvyydessä sijaitsee vyöhyke, jossa deformaatio vaihettuu hauraasta duktiiliksi. Mantereisen kuoren maanjäristykset tapahtuvat hauraan ja duktiilin vaihettumisvyöhykkeen yläpuolella, koska maanjäristyksissä deformaatio on haurasta.

3.1. Hauras ja duktiili deformaatio samalla kalliopaljastumalla

Joskus haurasta ja duktiilia deformaatiota havaitaan samalta kalliopaljastumalta (kuva 4). Deformaation nopeudessa on tällöin saattanut tapahtua muutos, jolloin duktiilit rakenteet (esimerkiksi poimut) ovat muodostuneet hitaasti ja hauraat rakenteet (esimerkiksi siirrokset) syntyivät nopeassa liikunnossa. Toisaalta hauraiden ja duktiilien rakenteiden esiintyminen samalla paljastumalla voi johtua siitä, että rakenteet ovat eri ikäisiä. Duktiilit rakenteet ovat  tällöin muodostuneet syvällä maankuoressa ja hauraat rakenteet lähempänä maanpintaa kallioperän lohkon kohotessa ajanmyötä ylemmäs.

3.2. Kivilajien reologiset ominaisuudet

Reologia tutkii materiaalin virtaamista. Geologiassa merkityksellistä on, kuinka eri koostumuksen omaavat kivilajit käyttäytyvät deformaation aikana. Eri materiaaleilla ja myös kivilajeilla on erilainen viskositeetti. Materiaalin viskositeettia havainnollistaa esimerkiksi veden virtaaminen verrattuna hunajan virtaamiseen. Kun hunajaa kaataa purkista, se virtaa hitaammin kuin vesi. Hunajalla on siis korkeampi viskositeetti. Materiaalin viskositeetti on riippuvainen lämpötilasta. Lämmin hunaja on juoksevampaa. Kivilajin viskositeettieroista johtuva erilainen deformaatiotapa näkyy hyvin budinaasirakenteissa, jotka ovat nakkimakkaroita muistuttavia kallioperän rakenteita (kuva 5). Ympäröiviä kivilajeja lujempi kerros deformoituu hauraasti katkeillen budiineiksi, kun taas ympäröivät kivet ovat deformoituneet duktiilisti ja esimerkiksi niiden kerrospaksuudet ovat ohentuneet. Olosuhteet ovat siis olleet samat, mutta kivilajien koostumus ja sen viskositeetti on vaikuttanut rakenteen syntyyn.

Lähteet:

Billings, M. P. 1972: Structural Geology. Prentice-Hall, Inc, Englewood Cliffs, New Jersey, 606 s.

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.