Mitä ovat magmakivet?

Ari Brozinski

Mitä magma on?

Määritelmän mukaan magma on sulaa kiveä, joka sisältää kaasuja, kiteitä ja kivifragmentteja. Magma kiteytyy 700—1100 asteen lämpötilassa, jolloin syntyy magmakiviä. Pitkän taipaleensa sulasta kiveksi magma aloittaa syvällä maan kuoressa tai vaipassa, josta se kuuman kiven osittaissulamisen myötä alkaa ympäröivää kiveä kevyempänä kohota ylöspäin kohti maan pintaa. Nousunopeudet vaihtelevat 0,3 metristä jopa 50 metriin vuodessa. Noustessaan magma voi kiteytyä maan sisässä, jolloin puhutaan intrusiivisista kivestä tai maan päällä, jolloin taas käytetään nimitystä ekstrusiivinen kivi. Jako perustuu magmakivien raekokoon.

Intrusiiviset kivet tunkeutuvat maan sisässä toiseen, kylmempään kiveen, jolloin ne alkavat vähitellen jäähtyä. Tällöin kiteillä on aikaa kasvaa ja muodostuu kiviä, joissa on niin suuria mineraalirakeita, että ne voi havaita paljaalla silmällä. Intrusiivisiin kivilajeihin lukeutuvat syväkivet, sekä juonikivet (puolipinnalliset). Syväkivet syntyvät useiden kilometrien syvyydessä, kun taas puolipinnalliset ovat kiteytyneet lähempänä maan pintaa. Siinä missä syväkivien kiteytyminen voi kestää miljoonia vuosia, kiteytyvät juonikivet jopa alle tuhannessa vuodessa. Tyypillinen intrusiivinen syväkivilaji on graniitti.

Ekstrusiivisissä kivissä taas magma purkautuu ulos maan sisästä (eli siitä tulee laavaa) meren pohjaan tai maan pinnalle, jolloin sulan kiven lämpötila alenee nopeasti ja laava jähmettyy ennen kuin siihen ehtii kasvattaa suuria kiteitä. Tyypillinen ekstrusiivinen kivilaji on basaltti, joka nähdään oheisessa kuvassa. Se on jäähtynyt niin nopeasti, ettei siitä voi paljaalla silmällä erottaa yksittäisiä mineraalirakeita. Alla oleva kuva selventää magmakivien jaottelua geologiassa.

Magmakivet: sulaa kiveä maan sisästä

Magma on tullut ihmiselle tutuksi antiikin ajoista asti: jo silloin tuhoisat tulivuorenpurkaukset syöksivät ympäristöönsä valtavia määriä kuumaa, sulaa kiveä ja upottivat kokonaisia kyliä laavaan tai purkauksen yhteydessä syntyneeseen tuhkaan. Muun muassa kreikkalaiset uskoivat tuolloin, että heidän tulenjumalansa, Hephaistos, työskenteli pajassaan tulivuori Etnan alla Sisiliassa. Sulaan kiveen liittyy kuitenkin paljon enemmän, kuin tuhoisia tulivuorenpurkauksia. Esimerkiksi nykyään tiedetään, että magmakivi muodostaa kaiken merellisen kuoren ja suuria osia mantereellisestakin kuoresta. Lisäksi maapallon jäähdyttyä riittävästi noin  4000 miljoonaa vuotta sitten, olivat ensimmäiset syntyneet kivet magmakiviä.

Nykyään erilaisia magmakiviä tunnetaan noin 1600. Näistä noin 50 on arkipäiväisessä yleiskäytössä. On siis sanomattakin selvää, että magmakivet ja niiden tutkiminen ovat tärkeä linkki maapallon toiminnan ymmärtämiseen. Mistä magma tulee ja milloin magma muuttuu laavaksi? Entä minkä vuoksi magmoilla on erilainen koostumus? Näihin kysymyksiin saat vastauksen tässä osiossa.

Magman synty

Magmat syntyvät kiven osittaissulamisen tuloksena syvällä maan kuoressa tai vaipan yläosissa, jossa litosfäärin ja astenosfäärin rajalla vallitseva 1280 asteen lämpötila on reilusti magman sulamispisteen yläpuolella. Vaikka kiven sulamiseen vaadittu 700 -1100 asteen lämpötila on ylitetty, tarvitaan jokin keino, jolla sulaminen saadaan käyntiin, sillä maan sisällä vallitseva paine on niin korkea, ettei kivi kykene sulamaan. Korkea paine estää atomien vapaan liikkeen, jolloin mineraalit eivät voi ”vapautua” eli sulaa.

Yleisesti voidaan sanoa, että sulamislämpötila kasvaa paineen suurentuessa.Esimerkiksi 40 kilometrin syvyydessä paine on jo 12 kilobaaria eli 12 000-kertainen ulkona vallitsevaan ilmanpaineeseen nähden. Tällaisessa paineessa vedenkin saisi helposti jäätymään huoneenlämpötilassa, joten ei ole ihme, että kivikin pysyttelee kiinteässä tilassa.Tiedämme kuitenkin varmasti, että maan sisässä on sulaa magmaa. Tämän vuoksi täytyy olla jokin keino, jolla sulaa voi muodostua ja toisaalta, miksi kivi ei sula vaikka sen sulamislämpötila on ylitetty. Korkeassa paineessa oleva kivi voi sulaa osittain (kivi ei koskaan sula kokonaan, jos siihen kohdistuu jokin seuraavista prosessista: paine alenee, kiveen tuodaan volatiileja tai tapahtuu lämmönsiirtymistä.

Paine alenee silloin, kun kuuma vaippaperäinen kivi lähtee kohoamaan kohti maanpintaa. Näin tapahtuu esimerkiksi valtamerten keskiselänteillä, jossa kohoamiseen myötävaikuttavat konvektiovirtaukset siirtävät vaippaperäistä materiaalia ylös kohti maan kuorta. Oheisessa kuvassa on kuvattu osittaissulaminen, sekä joitain prosesseja, jotka myötävaikuttavat siihen.

Osittaissulamisessa osa kivestä alkaa sulaa ja muodostuu magmaa, jonka koostumus ei ole alkuperäisen kiven kaltainen. Sulanut magma saattaa poistua sillä aikaa, kun alkuperäinen kivi vielä sulaa. Tyypillisesti 2–30% kivestä sulaa magmaksi. Kiven osittaissulaessa poistuu siitä magman mukana runsaasti SiO2:ta, jolloin jäljelle jäänyt kivi rikastu mafisista mineraaleista (Eräs tapa luokitella kiviä on jakaa ultramafisiin, mafisiin, intermediäärisiin, ja felsisiin niiden SiO2-pitoisuuden mukaan. SiO2-pitoisuus vaikuttaa mm. magman juoksevuuteen).

Systeemiin voi vaihtoehtoisesti joutua myös volatiileja, kuten vettä (H2O) tai hiilidioksidia (CO2) laattatektonisten prosessien myötä. Volatiilien sekoittuessa kiveen, edesauttavat ne kemiallisten sidosten murtamisessa alentaen näin mineraalien ”vapautumiskynnystä”, jolloin kiven sulaminen tapahtuu helpommin. Edellisten kahden lisäksi on magman syntyyn myötävaikuttaa myös lämmönjohtuminen. Tällöin nouseva kuuma kivi tai magma (1100°C) lämmittää kuorta tunkeutuessaan siihen sulattaen ympäröivää kiveä. Alla oleva kuva summaa kiven koostumukseen vaikuttavia tekijöitä.

Magman nousu ja kiteytyminen

Magma kohoaa, koska se on ympäröivää kiveä kevyempää. Tavallisesti magman kohoamisnopeus on alle metristä viiteenkymmeneen metriin vuodessa, joskin eräät volatiileista rikastuneet magmat (esim. lamprofyyrit ja kimberliitit) saattavat kohota jopa 15m/s. Jos kohoaminen jatkuisi tällä nopeudella vuoden ajan, etenisi magma tänä aikana yli 473 000km!

Maankuoren keskimääräinen tiheys on 2750 kg/m3, joten magman tiheyden tulee olla pienempi, jotta se voisi nousta ylöspäin. Magma kohoaa tavallisesti niin kauan, että se saavuttaa tasapainotilanteen, jossa ympäröivä kivi on yhtä tiheää. Lähdettäessä tällaisesta pisteestä alaspäin kohdataan tiheämpää kiveä ja vastaavasti ylöspäin mentäessä harvempaa. Kohotessaan ja/tai jäädessään paikalleen sula aines voi muodostaa magmakammion.

Saavuttuaan pisteeseen, jossa magman tiheys on tasapainossa ympäristön kanssa, voi se sopivien lämpötila- ja paineolosuhteiden vallitessa alkaa kiteytyä. Kaikki mineraalit eivät kuitenkaan kiteydy samassa lämpötilassa. Kiteytymistä 1920-luvulla tutkinut Yhdysvaltalainen Norman L. Bowen tuli siihen tulokseen, että magmasulan jäähtyessä siitä muodostuu ensin tiettyä mineraalia, jonka jälkeen jäljelle jäävät ainesosat reagoivat keskenään ja muodostavat uusia mineraaleja. Tällaista kiteytymistä nimitetään fraktioivaksi kiteytymiseksi ja sen etenemistä kuvaa kaavio, jota nimitetään Bowenin reaktiosarjaksi.

Oheisesta Kaaviosta nähdään, että mafisten magmojen kiteytyminen alkaa oliviinista. Kiteydyttyään painuvat muuta magmaa painavemmat oliviinit kohti magmakammion pohjaa, jolloin ne eivät enää voi reagoida jäljelle jääneen magman kanssa. Jäljelle jääneessä sulassa kiteytyy seuraavaksi ortopyrokseenia, klinopyrokseenia, sarvivälkettä ja lopulta biotiittia. Tällaista kiteytymispolkua nimitetään askelmaiseksi reaktiosarjaksi. Kiteytyessään saattavat sulat komponentit reagoida muodostuvien mafisten mineraalien kanssa kasvattaen niiden rauta- ja magnesiumpitoisuutta: mitä pidemmälle Bowenin reaktiosarja etenee, sen felsisemmäksi jäljelle jäävä magma muuttuu (sen SiO2-pitoisuus kasvaa).

Felsisten magmojen kiteytyessä muodostuu ensin anortiittista plagioklaasia ja sen myötä albiittista plagioklaasia. Tällaista kiteytymispolkua nimitetään jatkuvaksi reaktiosarjaksi. Reaktiosarja etenee loppuun maasälvän, sitten muskoviitin ja lopulta kvartsin muodostumisena.

Kiteytymisen jatkuessa erottuvat siis raskaat komponentit magmakammion pohjalle mahdollistaen kevyempien, koostumukseltaan alkuperäisestä magmasta eroavien sulien, jatkavan matkaansa ylöspäin. Syntyneet sulat voivat purkautua esimerkiksi toiseen magmakammioon, jolloin kaksi erikoostumuksista magmaa joutuu kosketuksiin toistensa kanssa ennen jähmettymistään, jolloin tapahtuu nk. magma mixing, jonka tuloksena syntyy uusi, alkuperäiseen magmaan nähden erikoostumuksinen magma. Tällöin esimerkiksi basalttisen ja ryoliittisen magman sekoittuessa voi syntyä koostumukseltaan enemmän tai vähemmän intermediäärinen magma. Joskus magmojen kemialliset ja fysikaalit ominaisuudet ovat kuitenkin niin erilaisia, ettei sekoittumista tapahdu. Tällöin sanotaan, että magmat ”sekaantuvat” (engl. mingle).

Magman purkautuessa maanalaiseen kammioon ja alkaessa jähmettymään siellä ja samalla lämmittäessään ympäristöään, voi ympäröivästä kammiosta joutua kivimateriaalia magmaan sekaan ja näin vaikuttaa sen koostumukseen. Tällaista ilmiötä kutsutaan assimilaatioksi. Assimilaatiota voi tapahtua sulamalla, kemiallisen reaktion välityksellä tai hajottamisella, joista hajottaminen on yleisin. Magman kiteytyminen jatkuu, kunnes sulaa ei ole enää jäljellä tai se on purkautunut maan päälle tai merenpohjaan.

Maan sisään kiteytyneet magmakammiot on jaettu koon perusteella pieniin, keskisuuriin ja suuriin muodostelmiin. Suuriin ja keskikokoisiin muodostumiin viitataan usein termillä plutoni, vaikka nimitystä voidaan sanakirjan määritelmän mukaan käyttää mistä tahansa maan sisässä kiteytyneestä magmakivestä. Batoliitit ovat suurimpia intrusiivisia rakenteita ja niiden pinta-ala voi olla jopa yli 100 km². Plutonien ja batoliittien lisäksi on olemassa  pienempiä muodostelmia, kuten juonia ja laavapatjoja. Juonet ovat muodostuneet ylöspäin kohoavien magmavirtojen jäähdyttyä, kun taas patjat ovat tällaisten virtojen vaakasuuntainen vastine. Periaatteessa patjat muistuttavat batoliitteja, mutta ne ovat paljon pienempiä. Alla oleva kuva selventää edellä kuvattuja prosesseja.

Neljä magmaa: tyypit ja mudostumisympäristöt

Magmojen koostumukset vaihtelevat. Koostumuseroille on olemassa useita syitä. Yksi syy magmojen erilaiselle koostumukselle ovat erilaiset lähdekivet, jotka joutuvat sulamisen kohteeksi (vrt. jään sulaessa syntyy vettä ja jäätelön sulaessa sulaa jäätelöä. Sulasta jäätelöstä ei saa sulaa vettä.). Tästä johtuen esimerkiksi maan kuoresta peräisin olevilla magmoilla on eri koostumus, kuin vaippaperäisillä magmoilla, sillä kuorella ja vaipalla on eri koostumus (ks. differentaatio).

Useimmat magmat koostuvat piistä ja hapesta, jotka ovat sitoutuneet pii-happi-tetraedriin. Lisäksi ne sisältävät usein myös alumiinia, kalsiumia, natriumia, rautaa ja magnesiumia. Kuiva magma ei sisällä volatiileja (typpi, vety, rikkidioksidi…), kun taas ”märässä” magmassa niitä on liuenneena jopa 15 %. Magmakiville ei ole olemassa yleispätevää nimeämisjärjestelmää. Yksi tapa luokitella magmakiviä on jakaa ne neljään ryhmään niiden SiO2-pitoisuuden mukaan, jolloin puhutaan felsisistä, intermediäärisistä, mafisista ja ultramafisista magmoista. Jokaiselle magmakivelle on olemassa on ”tyypillinen” muodostumisympäristö, jossa kivi on voinut muodostua. Alla oleva kuva selventää luokittelua.

Felsisissä (66-76% SiO2) kivissä on vähän rautaa ja magnesiumia, mutta paljon silikaatteja, kuten kvartsia, maasälpää ja plagioklaasia. Värisävy on usein vaalea. Felsisen magman nimi heijastelee sen muodostamassa kivessä esiintyviä mineraaleja eli maasälpää (engl. feldspar) ja kvartsia (engl. quartz).

Tyypillisiä felsisiä kiviä ovat graniitti ja ryoliitti (graniitin hienojakoisempi, kemiallisesti samanlainen ekstrusiivinen vastine). Felsisiä kiviä syntyy subduktiovyöhykkeillä, jossa merellinen litosfäärilaatta painuu mantereellisen laatan alle. Tällöin vajoava kuori osittaissulaa ja syntyy sekä intrusiivisia että ekstrusiivisia muodostelmia.

Intermediääristen (52-55% SiO2) kivien koostumus on felsisten ja mafisten kivien välillä. Tyypillinen intermediäärinen kivi on granodioriitti, joka muistuttaa graniittia kuitenkin sillä erotuksella, että siinä on enemmän palgioklaasia. Myös dioriitti on tavallinen intermediäärinen kivi. Dioriitissa on vähän tai ei ollenkaan kvartsia. Intermediäärisiä kiviä muodostuu niin ikään subduktiovyöhykkeellä saarikaariympäristössä.

Mafinen (45-52% SiO2) kivi sisältää kohtalaisen paljon magnesiumia ja rautaa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että nk. mafiset mineraalit, kuten oliviini ja pyrokseeni ovat hyvin edustettuina. Tästä johtuen mafisten kivien väri on hyvin tumma. Tavallinen mafinen mineraali on gabro, joka on karkearakeinen tummanharmaa intrusiivinen kivilaji. Gabrossa on paljon pyrokseenia, muttei yhtään kvartsia. Basaltti on gabron hienorakeisempi ekstrusiivinen vastine.

Ma—tavu mafisessa (engl. mafic) edustaa magnesiumia ja pääte –fic rautaa (lat. ferric). Mafista magmaa muodostuu niin subdkutiovyöhykkeillä, merellisillä repeämisalueilla, kuin hotspot-tulivuoritoiminnankin yhteydessä.

Ultramafisissa (38-45 % SiO2) kivissä on maasälpää alle 10%. Tyypillinen ultramafinen kivi on peridootti. Se on karkearakeinen, tumman harmaan-vihreä ja koostuu pääosin oliviinista. Peridootit ovat vallitseva kivilaji vaipassa ja niistä muodostuu basalttia valtamerten keskiselänteillä. Ultramafisia kiviä ei tavallisesti löydetä ekstrusiivisina, sillä niiden vaatima muodostumislämpötila on niin korkea, että ne kerääntyvät magmakammion pohjalle, eivätkä kykene muodostamaan sulia laavavirtoja. (Press et al. 2003).

Magman juoksevuus muuttuu SiO2-pitoisuuden mukaan. Felsiset magmat ovat hyvin paksuja ja virtaavat hitaasti, eli niillä on korkea viskositeetti, kun taas mafiset magmat virtaavat helpommin. Viskositeetti riippuu kolmesta asiasta: lämpötilasta, volatiilien määrästä ja SiO2-pitoisuudesta.  Myös sulamislämpötiloissa on eroja, siinä missä felsiset magmat ovat sulassa tilassa jo 650–800 asteessa, vaaditaan ultramafisten magmojen sulattamiseen jopa 1300 asteen lämpötila.

Lähteet

Tämän tekstin lähteinä käytettiin:

Lehtinen, M., Nurmi, P. ja Rämö, T. 1998: Suomen kallioperä: 3000 vuosimiljoonaa. Suomen geologinen seura. Helsinki.

Marshak, S. 2004: Earth: portrait of a planet, 2nd ed. W.W Norton and Company. USA.

Middlemost, E. 1997: Magmas Rocks and Planetary Development: A survey of magma/igneous rock systems. Addison Wesley Longman Limited. Singapore.

Raymond, L. A. 2002: Petrology: The study of igneous, sedimentary and metamorphic rocks, 2nd ed. McGraw-Hill Companies. USA.