Professoriluento | Antti Ojala

Suomen geologinen ympäristö on maailman mittakaavassa poikkeuksellinen. Se koostuu kiinteästä miljardeja vuosia vanhasta kiteisestä kallioperästä sekä nuoresta, pääosin vain kymmenien tuhansien vuosien ikäisestä maaperästä, jotka yhdessä muodostavat maankamaran.

Maankamaramme muodot ja ominaispiirteet ovat suoraa heijastumaa maailmanlaajuisesta ilmastonmuutoksesta. Tämä siksi, että Fennoskandian alue on Kvartäärikaudella, eli viimeisten noin 2,6 miljoonan vuoden aikana, ollut toistuvasti mannerjäätikön peittämänä. Kvartäärikausi eli niin kutsuttu jääkausiaika pitää sisällään voimakkaita ilmastonvaihteluita, joihin kuuluu jääkausia ja niiden välisiä lämpimämpiä välivaiheita eli interglasiaaleja. Laajamittaisten jäätiköitymisten aikana mannerjäätikkö levisi Skandien vuoristosta yli Suomen aina luoteis-Venäjällä ja mantereelliseen Pohjois-Eurooppaan asti. Jääkausiajan ilmastosyklien perussyyt ovat muutokset maapallon kallistuskulmassa ja kiertoradassa auringon ympäri sekä muutokset merivirtojen jakautumisessa ja lämpöä tasoittavassa vaikutuksessa maapallon pinnalla. Jäätiköt ovat tänä päivänäkin olennainen osa planeettamme ilmasto- ja valtamerisysteemiä, joiden muutokset ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa.

Laajamittaiset mannerjäätiköitymiset kuluttivat kallioperäämme sekä kuljettivat ja kasasivat irtaimista maa-aineksista muodostunutta nuorinta osaa maankamarastamme mitä erinäisemmissä prosesseissa. Esimerkiksi ruhjelaaksot, uurteet ja drumliinit kovertuivat tai kerrostuivat mannerjäätikön pohjalla sen aktiivisen virtausvaiheiden aikana, kun taas harjut ja isolta osin Salpausselkien reunamuodostumakompleksit syntyivät mannerjäätikön sulamisvaiheessa veden virtaavan ja lajittelevan toiminnan vaikutuksesta. Viimeisimmän jääkauden päättyessä mannerjäätikön reuna vetäytyi Suomen alueelta 13 000–9 000 vuotta sitten jättäen jälkeensä ainutlaatuisen ja vaihtelevan maaperän.

Maaperän ominaisuuksien tunteminen on ollut jo aikojen alusta ihmiselle hyvin tärkeää. Esihistorialliset asuinpaikat sijoittuivat vesistöjen läheisyyteen, yleensä lounaaseen avautuville hiekkaterasseille, jotka tarjosivat tasaisia, kuivia ja lämpimiä asuinympäristöjä. Tiestö kehittyi helposti tasattaville hiekkakankailla, muun muassa harjuille, jotka tarjosivat luonnollisia kulkureittejä halki vesistöjen. Peltoviljelys ohjautui luonnostaan viljaville muokkauskelpoiselle alueille ja puhtaan juomakelpoisen veden saaminen luonnollisista lähteistä oli arkipäivää.

Nykyisin kallioperän rakenteesta ja sitä verhoavasta maaperästä tarvitaan yhä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa yhteiskunnan monilla eri sektoreilla. Digitaalisten geotietoaineistojen, tehostuneen laskennan ja 3D mallintamisen rooli on niin merkittävä, että maankamaran pintaosaa voidaan pitää vain lähtötietona kolmiulotteiselle mallinnukselle. Esimerkiksi maankäytön suunnittelu ja rakentaminen tarvitsevat tietoa pinnan alla olevista geologisista yksiköistä ja rakenteista. Rakentamisen ja aluesuunnittelun lisäksi geologista 3D paikkatietoa voidaan hyödyntää mm pohjavesitutkimuksissa, geoenergiaratkaisujen toteuttamisessa, kiviainesvarojen kartoituksessa sekä pohjaveden, ympäristön ja luonnon monimuotoisuuden suojelussa. Tieto hyödyttää myös kaivoshankkeiden suunnittelua raaka-ainepotentiaalisissa muodostumissa sekä niihin liittyviä kaivosympäristötutkimuksia.

Tieteellisessä tutkimuksessa uudet merkittävät löydöt ja teoreemat ovat usein seurausta teknologisestä kehityksestä. Esimerkiksi Anthony van Leeuwenhoekin mikroskooppi tai Galileo Galilein kehittämä linssikaukoputki, joiden avulla kyettiin tarkastelemaan luonnon ilmiöitä ihmissilmän ulottumattomissa. Kartografiassa ja maankamaran geologisessa kartoittamisessa vastaavia harppauksia on otettu paikannusjärjestelmien kehittymisen myötä, sekä kaukokartoitusaineistojen, kuten ilmavalokuvien ja satelliittikuvien tultua saataville. Esimerkiksi Suomessa ilmakuvatulkinta toi 60-luvulla uuden ulottuvuuden maaperän kartoittamiseen, koska maankamaran muodot, kuten harjut ja moreeniselänteet, olivat ilmakuvien stereotarkastelun kolmiulotteisuudesta johtuen helposti tunnistettavissa.

Nyt elämme uutta merkittävää murrosta, joka on seurausta laserkeilauksen yleistymisestä maanpinnan korkeusmallituotannossa. Tämä niin kutsuttu LiDAR-teknologia on yksinkertainen ja nopea menetelmä, joka perustuu kohteen ja laserkeilaimen välisen etäisyyden mittaamiseen. Lasersäteen takaisinsironta tapahtuu mm. puiden latvoista, rakennuksista sekä maan pinnasta. Maaston korkeuden lisäksi laserkeilaus tuottaa maastosta tai tutkittavasta kappaleesta kolmiulotteista tietoa, jonka avulla voidaan analysoida erilaisia muotoja ja rakenteita. Havaintojen perusteella saadaan siis yksityiskohtaista tietoa paitsi alueen kasvillisuudesta ja rakennuksista myös maanpinnan muodoista.

LiDAR-teknologian tuomista tieteellisistä läpimurroista on hyvänä esimerkkinä mullistava arkeologinen löytö Guatemalan viidakosta, kun tutkijat havaitsivat kasvillisuuden alta yli 60 000 aikaisemmin tuntematonta muinaiseen Maya-imperiumiin kuulunutta rakennusta. LiDAR-kartoitus osoitti, että Maya-kulttuuri oli Väli-Amerikassa 1 200 vuotta sitten paljon kehittyneempi ja laajempi kuin aiemmin on ajateltu. Tämä tutkimus myös osoittaa yhden LiDAR-teknologian merkittävimmistä eduista verrattuna esimerkiksi ilmavalokuviin. LiDARin avulla voidaan tuottaa korkeusaineistoa maanpinnasta ja sen päällä olevista rakenteista myös kasvillisuuden peittämillä alueilla.

Tutkijoiden onneksi Suomi on ollut LiDAR-korkeusmallin kehittämisen, tuottamisen ja hyödyntämisen eturintamassa, ja mikä tärkeää, noudattaen avoimen datan periaatteita. Suomesta on Maanmittauslaitoksen toimesta vuosina 2008–2019 tuotettu koko maan kattava LiDAR-korkeusmalli, jonka pistetiheys on 0.5 pistettä per neliömetri.

LiDAR-teknologia on mullistanut myös geotieteet. Maankamaran korkokuvaa ja geologisia rakenteita voidaan tarkastella ja 3D mallintaa ennennäkemättömällä tarkkuudella. Laserkeilaukseen perustuvien korkeusmallien avulla kyetään tuottamaan uutta ja tarkennettua tietoa maa- ja kallioperän koostumuksesta ja rakenteista sekä geologisesta kehityksestä. Seuraavassa muutamia esimerkkejä geologisista kartoitus- ja tutkimusprojekteista Suomessa.

Kallioisessa maastossa tai ohuen maapeitteen alueilla kallioperän rakenteet, heikkousvyöhykkeet ja rakoilusuunnat tulevat hyvin näkyviin LiDAR-korkeusmalleissa. Niiden esiintymistä ja luonnetta on kartoitettu myös taajama-alueilla, joissa kallioperän ruhjevyöhykkeiden rikkonaisuus ja vedenjohtavuus aiheuttavat riskejä rakennusalustan stabiilisuudelle. Maankäytön ja rakentamisen kannalta lisähaasteen tuo myös se, että kallioperän ruhjeet muodostavat usein pitkänomaisia laaksoja ja painanteita, jotka ovat täyttyneet muinaiseen Itämereen kerrostuneilla heikommin kantavilla hienoainessedimenteillä, savella ja liejusavella. Painanteissa savien paksuus on usein kymmeniä metrejä ja kantavan alustan topografia hyvin jyrkkäpiirteinen. Monin paikoin pitkin etelä- ja länsirannikkoa nämä syvänteet ovat olleet otollisia kerrostumisympäristöjä sulfidisaville, joissa meriveden sulfaatista peräisin oleva rikki on hapettomassa alusvedessä pelkistynyt sulfideiksi. Kaivamisen ja maansiirtotöiden yhteydessä maaperän sulfidit hapettuvat sulfaateiksi aiheuttaen ympäristön happamoitumista sekä korroosiota maanalaisissa teräs- ja betonirakenteissa. Siksi niiden kartoittaminen sekä tietoisuus maaperän aggressiivisuudesta ja korroosioalttiudesta on lisääntynyt erityisesti suurten rannikkokaupunkien alueilla, jossa rakentaminen vääjäämättä kohdistuu myös epäedullisille maaperäolosuhteille. Yhdistettynä geoteknisiin kairauksiin ja savikkojen syvyysmalleihin, maanpinnan LiDAR-korkeusmalleja voidaan hyödyntää merenpohjan paleotopografisissa malleissa tutkittaessa esimerkiksi sulfidisavien potentiaalista esiintymistä Itämerestä kuroutuneilla alueilla. Kaupunkisuunnittelua ja rakentamista palvelevissa 3D malleissa integroidaankin nykyään alueen kallio- että maaperägeologisia aineistoja ja tutkitaan niiden välisiä vuorovaikutuksia.

Maaperän geologisessa kartoituksessa laserkeilaukseen perustuvat korkeusmallit ovat mullistaneet eri mittakaavaisen karttatuotannon digitaaliseen ja tulkintapainotteiseen suuntaan. Ne mahdollistavat maaperän muodostumatyyppien, niiden rakenteiden ja topologisten suhteiden tutkimisen, sekä maanpinnan kolmiulotteisen visualisoinnin paikkatieto-ohjelmistojen avulla. Maaperän karttakuvioita voidaan luokitella maanpinnan tarkkapiirteisen korkokuvan perusteella ja vaikka prosessia ei ainakaan vielä voida tekoälyn avulla täysin automatisoida, vähentyy maastotutkimuksiin kulutettu aika merkittävästi ja tuo siten kustannustehokkuutta karttojen laadusta tinkimättä. Nykyään puhummekin maaperän morfo-litogeneettisistä yksiköistä, joissa yhdistyvät maankamaran korkokuva eli morfologia, maa-aineksen raekoko eli litologia sekä muodostumien syntyhistoria eli genesis. Pitkänomaisten harjuselänteiden rajaaminen LiDAR-korkeusmalleilta on hyvä esimerkki morfo-litogeneettisestä maaperäkartoittamisesta. Geologian tutkimuskeskuksen johdolla tehty Suomen jäätikkösyntyiset maaperämuodostumat -karttatietokanta valmistui alkuvuodesta 2021 ja sitä voidaan hyödyntää monissa yhteiskuntaa palvelevissa käytännön sovelluksissa. Uusi kartoitustieto tuo myös tieteellistä lisäarvoa alueiden geologisesta kehityksestä, esimerkiksi mannerjäätikön kielekevirtausten käyttäytymisestä jääkauden aikana.

LiDAR-korkeusmallin avulla voidaan myös analysoida maanpinnan muotoja, jotka ovat syntyneet jääkauden jälkeen. Tästä esimerkkinä postglasiaaliset eli jääkauden jälkeen syntyneet siirrokset ja niihin liittyvät maanvyöryt manneralueiden sisäosissa. Siirrokset ja maanvyörymät indikoivat, että Fennoskandian kilvellä on tapahtunut mannerjäätikön vetäytymisen jälkeen maanjäristyksiä, johtuen litosfäärin jännitystilojen purkautumisesta kilometrejä paksun mannerjäätikön kuorman poistuessa ja maankuoren kohotessa. LiDAR-korkeusmallit ovat mahdollistaneet näiden 0.2–9.1 km pitkien ja tyypillisesti 1–5 m korkeiden siirrosten systemaattisen kartoittamisen sekä analysoinnin topografisista aineistoista. Siirrosten pituuden ja vertikaalisen siirtymän sekä maanvyörymien koon, joka sekin voidaan laskea LiDAR-korkeusmalleilta, tiedetään olevan verrannollinen maanjäristysten voimakkuuteen. Suomessa postglasiaalisia siirroksia ja niihin liittyviä maanvyörymiä esiintyy erityisesti Lapissa ja tutkimusten perusteella maanjäristysten momenttimagnitudien voidaan realistisesti arvioida olleen välillä (Mw ≈) 4.9–7.5. Vaikka iso osa postglasiaalisista maanjäristyksistä tapahtuikin hyvin pian jääkauden jälkeen, maanjäristykset eivät olleet yksittäisiä tapahtumia vaan seismisyys on ollut ajallisesti ja paikallisesti liikkuvaa ja seismisyyttä on esiintynyt todennäköisesti myös tuhansia vuosia jääkauden jälkeen. Tutkimusaineiston perusteella maanjäristysten voimakkuuden on tulkittu kuitenkin heikenneen kohti nykyaikaa. Korkeusmallien ja geologisten kairausten avulla tulkitut siirroslinjojen sisäiset rakenteet ja kinematiikka lisäksi osoittavat, että maankuoren postglasiaalisten liikunnot ovat tapahtuneet kallioperän vanhojen siirrosvyöhykkeiden uudelleenaktivoituessa.

Viimeiseksi, osoituksena siitä kuinka laserkeilamella tuotettu maanpinnan korkokuva on aikaansaanut uusia tieteellisiä läpimurtoja maaperägeologisissa tutkimuksissa, löydettiin Suomesta LIDAR-korkeusmallien avulla muutama vuosi sitten täysin uuden tyyppinen ja tieteelle aiemmin tuntematon maaperämuoto. Nämä maaperämuodostumat erottuvat LiDAR-korkeusmalleilta kolmion tai V-kirjaimen mallisina kohomuotoina, joiden korkeus on yleensä 1–5 m ja leveys sekä pituus vaihtelevat välillä 20–100 m. Ne saivat nimen murtoo, joka viittaa niiden ensimmäiseen löytöpaikkaan Murtoonjärven läheisyydestä Nokian ja Vesilahti rajalta, mutta myös sopivasti kuvastaa niiden pinnanmuodoiltaan vaihtelevaa, murtunutta topografiaa. Murtoot ovat pinnaltaan hyvin lohkareisia ja useasti metsän peitossa, mikä osittain selittää sen, ettei niiden olemassaoloa oltu aiemmin havaittu.

Tieteellinen mielenkiinto ja läpimurto kohdistui hyvin nopeasti murtoiden alueelliseen esiintymiseen koko Fennoskandian kilven mannerjäätiköityneellä alueella, jonka ymmärrettiin tuovan uutta tietoa jäätikön dynamiikasta viime jääkauden aikana. Tähän suuntaan viittasi jo murtoiden terävän kärjen suuntautuneisuus kohti mannerjäätikön viimeisintä liikesuuntaa. Murtoiden systemaattinen kartoitus Suomessa ja Ruotsissa on osoittanut, että murtoot esiintyvät usein kenttinä, joissa on tyypillisesti 15–45 itsenäistä murtoo muodostumaa. Suomessa murtoita esiintyy erityisen tiheästi Satakunnan ja Kanta-Hämeen alueilla sekä Keski-Pohjanmaan, Keski-Suomen ja Kainuun maakunnissa. Kartoitus on myös osoittanut, että murtoiden morfologia on monimuotoisempaa kuin alun perin ymmärrettiin ja että murtoiden suunta liittyy sekä jäätikön viimeisimpään liikesuuntaan että jäätikön pohjalla virranneiden sulamisvesien kulkusuuntaan.

Murtoiden läpi kaivetuissa leikkauksissa niiden sedimentologia ja rakenteet osoittavat, että murtoot muodostuivat jään alla mannerjäätikön perääntymisvaiheessa, kun ilmasto nopeasti lämpeni ja sulamisvedet hakeutuivat jäätikön pohjalle. Murtoot esiintyvät alueilla, joissa sulamisvesien keskittyminen jään alle on ollut huomattavan suurta. Sulamisvesien hakeutuminen jäätikön pohjalle tapahtui kuitenkin niin kaukana perääntyvän jäätikön reunan sisäpuolella, että olosuhteet harjuja kerrostavien railojen tai tunnelien muodostumiselle eivät mm jään paksuudesta johtuen olleet suotuisia. Veden paine jään alla olevissa pienissä onkaloissa on ollut valtava ja verrannollinen peittävän jäätikön massaan. Paineenalainen vesi todennäköisesti kulutti alustaansa ja kerrosti sedimenttejä tukkien onkalot maa-aineksella sitä mukaan, kun ne aukenivat, siten muodostaen murtoiden ydinosat. Nenonen on vuonna 2009 kuvannut tämänkaltaista ympäristöä vertauksenomaisesti sanoen olosuhteiden muistuttavan usean sadan ilmakehän paineella tehtävää “betoniruiskutusta”, mutta moreeniaineksella. 

Tieteellisesti yksi merkittävimmistä havainnoista on, että murtoot liittyvät mannerjäätikön virtauskielekkeisiin ja vetäytyvän jäätikön alle syntyneisiin massiivisiin sulamisvesireitteihin. Murtoot ovat muodostuneet paikkoihin missä jäätikön sulamisverkosto vaihettuu kohden jäätikön reuna-alueen tunnelivirtausta ja harjujen syntyolosuhteita. Murtoita voidaankin pitää tietynlaisina esi-harjuina. Murtoot ja niihin liittyvät mannerjäätikön alustan sulavesikanavat voivat tuoda aivan uudenlaista tietoa ilmaston lämpenemisen aiheuttamasta suurten mannerjäätiköiden dynamiikasta ja sulamisen seurauksista jääkauden lopulla. Toistaiseksi tämän tyyppinen ympäristö puuttuu jäätikön dynamiikkaa simuloivista malleista, ja murtoiden kerrostumisympäristö voi osoittautua puuttuvaksi linkiksi hitaan ja epätehokkaan sekä voimakkaasti kanavoituneen jäätikönalaisen hydrologian välille. Tutkimustieto sulaneiden mannerjäätiköiden rekonstruktioista toimii analogiana Antarktiksen ja Grönlannin napajäätiköille, jotka parhaillaan sulavat nostaen valtamerien pintaa. Tutkimustieto auttaa myös ymmärtämään miten nykyiset jäätiköt tulevat käyttäytymään ilmaston edelleen lämmetessä ja sulamisen yhä kiihtyessä.

Murtoilla on tieteellisen mielenkiinnon lisäksi myös taloudellista maa-aines ja pohjavesipotentiaalia sillä pintalohkareisuudestaan huolimatta murtoot koostuvat pääosin lajittuneesta hiekan ja soran sekaisesta diamiktonista. Ne edustavat siis myös materiaaliltaan jotakin pohjamoreenin ja veden voimakkaasti lajitteleman harjuhiekan välimuotoa. Murtoisiin sisältyy myös samantyyppisiä maisemallisia ja elollisen luonnon arvoja kuin kallioihin ja harjuihin. Tämä osoittaa, jälleen kerran, kuinka tieteellisestä mielenkiinnosta, tutkimuksesta ja havainnoista nousee esille yhteiskunnallisesti merkittäviä hyötyjä.