Yhteenveto MammuttiKivi-kaivoksen ... - NunnaUuni

YhteenvetoNunnanlahden Uuni Oy:nMammuttiKivi-kaivoksenmateriaalitutkimustentuloksista vuosilta 1994 - 2001Kivitieto OyAulis Kärki ja Seppo GehörNunnanlahti1kmSintef, Norway 1994XRAL, Canada 2000University of Oulu, Finland,Institute of Electron Optics 1994-2001

VUOLUKIVET – MAANKUOREN HARVINAISIARAKENNEOSIAVuolukivi, englanniksi soapstone eli ”saippuakivi” onmetamorfinen kivilaji. Se on syntynyt korkeahkossa paineessaja lämpötilassa tapahtuneiden mineraalireaktioidenkautta. Maailmanlaajuisesti vuolukivet ovat harvinaisia,ja maankuoressa ne ovat vieraita muodostumia,sillä niiden lähtömateriaalit ovat peräisin maan vaipastaeli maankuoren alapuolella olevan kehän kivimateriaaleista.Maan vaippa on kemialliselta koostumukseltaanultraemäksinen eli se muodostuu kivilajeista, joissa piinmääräosuus verrattuna muihin pääalkuaineisiin on huomattavastipienempi kuin maankuoren tyypillisimmissäkivilajeissa. Piin sijalla ultraemäksisissä kivissä on magnesiumiaja rautaa, minkä takia niiden ominaispainotovat merkittävästi tavallisia kivilajeja suurempia. Maankuorentavanomaisia kivilajeja suurempi tiheys, noin 3,0t/m 3 , on myös ultraemäksisille vuolukiville luonteenomainenominaisuus.Vuolukivinimitystä käytetään mineraalikoostumuksenja muiden ominaisuuksien osalta hyvinkin eriluonteisistakivilajeista. Ainut yhteinen piirre kaikille vuolukivilajikkeilleon se, että ne ovat talkkipitoisuutensa ansiostasuhteellisen helposti työstettäviä. Muut ominaisuudet– esimerkiksi lämmönkestävyys ja lämmönvarauskyky– vaihtelevat paljon, ja kaikilla vuolukiviksi kutsutuillakivilajeilla ei ole sellaisia ominaisuuksia, joita edellytetääntulisijan valmistusmateriaaleilta.Nunnanlahden Uuni Oy:n MammuttiKivi-esiintymänvuolukivet ovat ajautuneet maan kuoriosaan vaipansyntysijoiltaan jo arkeeisena aikana, noin 2700 miljoonavuotta sitten. Tällöin kappale valtameren pohjaaja sen alapuolista vaippaa, ns. ofioliittikompleksi, työntyivuorenpoimutuksen ajamana itselleen vieraaseen ympäristöön,maankuoren graniittien ja muiden kivilajienjoukkoon. Tarkasti rajattu osa ofioliittikompleksistaeli tietty ultraemäksinen kivilajiyksikkö muuttui vuolukiveksikorkeassa paineessa ja lämpötilassa tapahtuneidenmuutostapahtumien kautta. Alkuperäiseen kivimassaantuli ulkopuolisesta lähteestä hiilidioksidia, mikä tekivuolukiven toisen pääkomponentin, magnesiitti-nimisenkarbonaattimineraalin syntymisen mahdolliseksi. Toisenpäämineraalin, 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 rajaton merkitty katkoviivalla.Kuva 1. MammuttiKivi-esiintymä ja kaivospiirialue.2 ▪ MammuttiKivi

muuttui ratkaisevasti kemialliselta koostumukseltaan,mitä ilmiötä kutsutaan metasomatoosiksi.Lopullisen asunsa MammuttiKivi-esiintymän vuolukivetsaivat useiden vuorenpoimutustapahtumien myötä.Näiden tektonisten, koko maankuorta muovanneidentapahtumien vaikutuksesta materiaalia puristettiin jahierrettiin useita kertoja prosesseissa, jotka kestivät kymmeniämiljoonia vuosia. MammuttiKivi-esiintymän vuolukivetmuodostavat pitkänomaisen, linssimäisen kivilajiesiintymän,jonka pitkänomaiseksi venytetty geometrinenmuoto on syntynyt edellä mainittujen tektonisten liikuntojenseurauksena.MammuttiKiveksi nimetty, poikkeuksellisen korkealuokkainen,pääosin magnesiitista ja suuntautuneestatalkista koostuva vuolukivimuunnos, muodostaa merkittävänosan tästä esiintymästä. Kuvassa 1 on esitettyMammuttiKivi-esiintymää rajaavan kaivospiirin ja kaivoksenpaikka. Esiintymän paikkatiedot perustuvat NunnanlahdenUuni Oy:n tekemiin selvityksiin.MammuttiKiven läpikotainen suuntaus eli lustarakennenoudattaa esiintymän pituusakselin suuntaa. Viimeisessäkehitysvaiheessaan kiven talkkilustat ovat pohjois-eteläsuuntaisentektonisen puristuksen ansiostarypyttyneitä. Näiden kaikkien tapahtumien yhteisvaikutuksestaMammuttiKivi on nyt voimakkaasti suuntautunutta,ns. lustarakenteista kiveä. MammuttiKivi on harvinaislaatuinenvuolukivimuunnos, jonka mikrorakennetekee sen poikkeuksellisen hyvin tulisijan rakennusmateriaaliksisopivaksi.MammuttiKivi tulisijamateriaalinaMammuttiKivi on valtaosin magnesiitista ja suomumaisesta,suuntautuneesta talkista koostuvaa talkki-magnesiittityypinvuolukiveä, joka soveltuu hyvin käytettäväksitulisijamateriaalina.MammuttiKivi-esiintymä ei ole kivilajiensa osaltatasalaatuinen, koko esiintymän laajuudessa tarkasti samastavuolukivityypistä koostuva, vaan siitä on rajattavissaerilaisia ja erilaisiin käyttökohteisiin parhaitensoveltuvia muunnoksia. Esiintymän MammuttiKivistäon rakennettavissa pitkään käyttökuntoisia ja vaativatkintarpeet tyydyttäviä tulisijarakenteita, kun kuhunkintulisijarakenteeseen valitaan vaatimukset täyttävä ja rakenteeseensoveltuva MammuttiKivi-muunnos.Tulisijassa korkeimmat termiset rasitukset kohdistuvattiettyihin tulipesän rakenneosiin. Näissä Mammutti-Kivi on oikein käytettynä kestävä ja hyvin toimiva materiaali,kun rakenteet on valmistettu oikein suunnatusta,pienirakeisesta ja suomumaista, suuntautunutta talkkiasisältävästä MammuttiKivi-tyypistä. Karkearakeistamagnesiittia sisältävät muunnokset soveltuvat parhaitentulipesän ja savukanavien vähemmän kuumien rakenteidenmateriaaleiksi, jotka eivät lämpene yli 500 °C:een.Karkearakeiset MammuttiKivet soveltuvat luonnollisestimyös tulisijan ulkokuoreen, jonka lämpötila jää normaalikäytössäalle 200 °C:een.MammuttiKivi lämmönvaraajana jalämmönjohteenaTulisijamateriaaleilta edellytetään hyvää lämmönvarauskykyäja niiden on sovelluttava lämmönjohtavuutensaosalta tulisijakäyttöön. Lämmönvarauskyky ja ominaislämpökapasiteettimääräytyvät sellaisissa kivimateriaaleissa,joissa on niukasti huokostilaa, suoraan kiven mineraalikoostumuksenperusteella. Magnesiitilla ja talkillaon tietyt, kokeellisesti määritettävissä olevat ominaislämpökapasiteetit.Kyseisiä mineraaleja kumpaakin puoliksisisältävän MammuttiKiven ominaislämpökapasiteetti onlaskettavissa puhtaiden komponenttien ominaisuuksienperusteella. MammuttiKiven ominaislämpökapasiteettion määritetty kokeellisesti kolmesta tuotantomateriaalejaedustavasta näytekappaleesta, ja se on 0 °C lämpötilassa790–820 J/kgK nousten 910–930 J/kgK:iin +50 °C:ssa.Lämmönjohtavuuden osalta suuntautuneisuus tekeeMammuttiKivestä anisotrooppisen, eli lämmönjohtavuuson kivessä eri suuntiin erilainen. Se on suoraan verrannollinenmm. kiven sisäiseen rakenteeseen ja suuntautuneisuuteen.Tasomaisesti voimakkaasti suuntautuneillaeli liuskeisilla, viivauksellisiksi rypyttyneillä ja vähemmänsuuntautuneilla MammuttiKivillä (kuva 2) on kullakinoma tyypillinen karakteristiikkansa lämmönjohtavuus-ja kuumuudenkesto-ominaisuuksissa.Lustarakenteisen, tasomaisesti suuntautuneen MammuttiKivenlämmönjohtavuus on lustan tasossa suurimmillaanja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa pienimmillään.Absoluuttinen lämmönjohtavuusarvo onlämpötilasta riippuva ja määräytyy MammuttiKiven mineraalikoostumuksensekä keskimääräisen raekoon perusteella.Talkki-magnesiittityyppisen, lustarakenteisen,+50 celsius-asteisen MammuttiKiven lämmönjohtavuusarvoon kohtisuorasti lustasuuntaa vastaan 2–4 W/mKja lustan tasossa tyypillisesti 4–5,5 W/mK. Tasomaisestisuuntautunut MammuttiKivi soveltuu näin ollen rakenteisiin,joissa lämmönjohtavuuden ja kiven suuntauksenvälistä suhdetta voidaan hyödyntää. Suuntautunut, pienirakeinenmagnesiittia sisältävä MammuttiKivi-muunnos,on kokeiden perusteella myös voimakasta lämpörasitustahyvin kestävä.Viivauksellisten, kiharaiseksi rypyttynyttä talkkia sisältävienMammuttiKivi-muunnosten lämmönjohtavuuson hyvä yhdessä viivasuunnassa ja selvästi pienempitätä vastaan kohtisuorissa suunnissa. Tässäkin tapauksessalämmönjohtavuuden absoluuttiset arvot ovat suoraanverrannollisia materiaalin lämpötilaan ja kivenraekokoon. Lämmönjohtavuusarvoksi on mitattu +50celsiusasteisen MammuttiKiven viivauksen suunnassaMammuttiKivi ▪ 3

A. B.Kuva 2.A. Viivauksellinen MammuttiKivi,joka soveltuu parhaiten ankarimpiintermisiin rasitusoloihin,esimerkiksi tulipesässä liekinkuumimman osan lähelle.B. Suuntautunut, hieno- tai karkearakeinenMammuttiKivi.Tuli sijassa se soveltuu parhaitenrakenteisiin, joissa voidaanhyödyntää kiven suuntauksenja lämmönjohtavuuden välistäriippuvuutta.C.C. Karkearakeinen, vähemmänsuuntautunut MammuttiKivi,joka soveltuu nopeasti varautuvanatulisijan viileimpien osienrakenteisiin ja ulkokuorirakenteisiin.Hyvän lämmönjohtamisenansiosta kivi kierrättäälämpöä kuumista kohden kylmempiinkiviin ja siten hidastaalämmönluovutusta.4–5,5 W/mK ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa 2–3W/mK. Pienirakeiset MammuttiKivet, joissa tasomainenlustarakenne on pienoispoimuttunutta tai rypyttynyttä,ovat korkealaatuisimpia, ja juuri ne kestävät voimakastalämpörasitusta parhaiten. Ne soveltuvat hyvinkin ankariintermisiin rasitusoloihin sijoittettaviin rakenteisiin.Tästä hyvänä osoituksena ovat MammuttiKivi-tyypistämääritetyt korkeat pirstoluvut.Vähemmän suuntautuneet MammuttiKivi-tyypit ovatominaisuuksiltaan lähes isotrooppisia. Niiden lämmönjohtavuuksienabsoluuttiset arvot määräytyvät edelläkerrotun mukaisesti materiaalin lämpötilan, koostumuksenja keskimääräisen raekoon perusteella. Suuri raekokosaa aikaan hyvän lämmönjohtavuuden. KarkearakeinenMammuttiKivi ei ole jyrkkiä lämpötilamuutoksia parhaitenkestävää, mutta se soveltuu hyvin esimerkiksi tulisijanulkokuorirakenteisiin, joita ei kuumenneta yli 500 °Clämpötilaan ja joissa kiven pinnan suuntainen hyvä lämmönjohtavuuskierrättää lämpöä ja näin jakaa sitä kokotulisijan massaan.Lämpörasituksen ja nopeiden lämpötilamuutosten kesto4 ▪ MammuttiKiviStandardin DIN 51 068 (part1) mukainen pirstolukukoeon yleisesti hyväksytty menetelmä testattaessa materiaalinkykyä kestää toistuvia, jyrkkiä lämpötilamuutoksia.Pirstokokeessa vuolukivi joutuu selvästi ankarammanlämpörasituksen kohteeksi, kuin milloinkaan uunikäytössä.Koe antaa kuitenkin hyvän kuvan materiaalin soveltuvuudestatermisesti ankarimpiin rasitusolosuhteisiin.Koe tapahtuu siten, että kuiva kivisylinteri asetetaan 950°C lämpötilaan 15 minuutiksi, upotetaan sen jälkeen viideksiminuutiksi juoksevaan, 20 °C lämpöiseen veteen,minkä jälkeen näytekappaleen annetaan kuivua eksikaattoriuunissa.Käsittelyä toistetaan niin monta kertaa, ettänäytesylinteri lohkeaa kahdeksi tai useammaksi kappaleeksi.Tämän kokeen tulosten perusteella MammuttiKivensisäinen rakenne eli tekstuuri on osoittautunut mineraalikoostumuksenohella keskeiseksi kestävyyteen vaikuttavaksitekijäksi. Hienorakeisesta magnesiittista japienisuomuisesta, rypyttyneesti suuntautuneesta talkistakoostuva MammuttiKivi antaa kokeesta lähes maksimaalisentulosarvon. Karkearakeiset, epähomogeeniset jamuita komponentteja, esimerkiksi talkin sijalla runsaastikloriiittia sisältävät vuolukivityypit voivat murentua jauheeksijo muutaman käsittelykerran jälkeen.Kuvassa 3 on MammuttiKivestä valmistettu näytesylinteritestin jälkeen. Näyte on lohkeillut ja haljennutkahtia, mutta materiaali on vielä lähes kolmenkymmenenkuumennuskerran jälkeen varsin kovaa. Koesylinteri onlohjennut kahdeksi kappaleeksi 28 kuumennuskerran jälkeen,eli se on saavuttanut pirstolukuarvon 28. Huomattakoon,että korkein arvo, minkä materiaali voi tässä kokeessasaavuttaa, on 30. Standardiohjeen mukaisesti koekeskeytetään, jos materiaali kestää murtumatta kolmekymmentäkuumennuskertaa.

Kuva 3. Hienorakeisesta, suuntautuneesta ja rypyttyneestäMammuttiKivestä koostuva näytesylinteri pirstokokeen jälkeen.Kokeessa näytemateriaali on saavuttanut lähes maksimaalisenarvon eli pirstoluvun 28.Mitä vuolukivelle tapahtuu korkeissalämpötiloissa?tarkastelemalla TG/DT-analyysien tuloksia.Kuvassa 4 on esitetty tyypillisen, noin puolet talkkiaja puolet magnesiittia sisältävän MammuttiKiven TG/DT-analyysin tulos. Kuvassa violetti TGA-käyrä kuvaamassamuutoksia ja referenssikorjaamaton, vihreä DTAkäyrätapahtuneiden faasimuutosten vaatimia tai tuomiareaktiolämpöjä. Kuvaajasta käy hyvin selville, ettämitään merkittäviä muutoksia ei tapahdu ennen, kuinMammuttiKivi saavuttaa 520–540 °C lämpötilan. Kyseisessälämpötilassa alkaa endoterminen, ulkopuolistalämpöenergiaa vaativa reaktio, joka muuttaa magnesiitinmagnesiumoksidiksi, eli periklaasiksi ja kaasuna vapautuvaksihiilidioksidiksi. Hiilidioksidi poistuu kaasuna, jakoko kiven massa pienentyy noin 20 %. On huomattava,että kokeessa koko MammuttiKivimassa on kuumennettuyli 520 °C lämpötilaan. Tulisijassa tämä massamuutoskoskee luonnollisesti vain sitä osaa kiveä, joka on kuumentunutperiklaasiklaasireaktion edellyttämään lämpötilaan,eli tavallisesti 5–10 mm:n syvyyteen kuumimmistapinnoista. Syntynyt periklaasi on pysyvä vielä hyvin korkeissalämpötiloissa, eli vielä 1600 °C:ssa. Tulisijassa eiole käytännössä mahdollista saavuttaa niin korkeita lämpötiloja,että periklaasi muuttuisi tai korvautuisi jollakinuudella mineraalilajikkeella.Toinen MammuttiKivelle tyypillinen reaktio alkaa840 °C lämpötilassa. Kyseinen reaktio sitoo energiaa, jasamalla MammuttiKiven massa pienentyy noin kahdellaprosentilla. Käytännössä tässä reaktiossa vapautuvattalkkiin sitoutuneet hydroksyyliryhmät. Jäljelle jää kiinteäja perusrakenteensa osalta vielä kestävä kivimateriaali,ja vain vesi poistuu massasta. Koe osoittaa yksiselitteisesti,että talkki säilyy vielä näin korkeassa lämpötilassapysyvänä ja MammuttiKiven rakennetta koossapitävänäsekä yhä lämpöä johtavana materiaalina (kuvat 3 ja 5).Tulisijaa lämmitettäsessä puun palamislämpötila on korkeimmillaan800–1200 °C, mutta tulipesän kuumimmatkivet lämpenevät Nunnanlahden Uuni Oy:n tekemien selvitystenperusteella pintaosastaan normaalikäytössä korkeintaan650 °C:een lämpötilaan.Jokaisella mineraalilajilla on tarkasti tunnetut ja termodynaamisestimäärätyt pysyvyysalueet erilaisissa paine-lämpötilaolosuhteissa.Tulisijoissa käytännössä ainutmerkittävä muuttuja on lämpötila ja erityisesti se maksimilämpötila,jonka tietyssä tulisijan rakenneosassa olevakivi voi koskaan saavuttaa. Materiaalin käyttäytymistäja siinä tapahtuvia reaktioita eri lämpötiloissa voidaantutkia ns. termogravimetrisella analyysillä (TGA) ja differentiaalitermiselläanalyysillä (DTA). Ensin mainitunavulla selvitetään massamuutoksia eri lämpötiloissa tapahtuvissamineraalireaktioissa ja toisella näiden tuottamiatai kuluttamia reaktiolämpöjä. Vuolukivien käyttäytymisestäkorkeissa lämpötiloissa saadaan hyvä kuvaKuva 4. Talkkia ja magnesiittia sisältävän MammuttiKivenTGA/DTA-analyysin tulos. Ensimmäinen terminen reaktiotapahtuu 520 °C läpötilassa, missä magnesiitti muuttuuperiklaasiksi (piste A). Toinen reaktio (piste B) on talkindehydroksylaatioreaktio tai reaktio, jossa OH-rymät poistuvattalkista noin 840 °C lämpötilassa.MammuttiKivi ▪ 5

Kuva 5. Polarisaatiomikroskooppikuva hienorakeisesta, 850 °C lämpö tilassa uudelleenkiteytyneestä MammuttiKivestä. Mustanaerottuva mineraali on periklaasia. Kuva osoittaa että vaaleana tai punasävyisenä erottuva talkki on hydroksyyliryhmien poistumisenjälkeenkin yhtenäistä ja rakennetta koossapitävää massaa.Tulisijassa materiaalin saavuttamat maksimilämpötilatovat jälkikäteen helposti arvioitavissa, sillä periklaasiksimuuttuneiden karbonaattimineraalien esiintymisalueetvoidaan tunnistaa yksiselitteisesti jo tavallisenmikroskooppitutkimuksen avulla. Periklaasiutuneen vyöhykkeenvahvuus pitkään käytössä olleen tulipesän rakenteissaon enimmillään noin 30 mm, jolloin tutkitunleivinuunin paistolämpötila oli kohotettu tutkimustarkoituksessayli 400 °C:een. Kyseinen lämpötila on huomat-tavasti korkeampi kuin mikä käyttöohjeiden mukaisestilämmitettäessä on saavutettavissa.Tavallisimmissa tulipesän ja savukanavien rakenteissa(kuva 6) periklaasia sisältävän vyöhykkeen vahvuuson muutamia millimetrejä kuumimmista pinnoista, mikäosoittaa, että vain pieni osa tulisijan koko massasta onsaavuttanut magnesiitti – periklaasireaktion edellyttämänlämpötilan.Kuva 6. Normaalisti lämmitetyn tulisijan tulipesässä ollutMammuttiKivi.6 ▪ MammuttiKiviKuva 7. Polarisaatiomikroskooppikuva voimakkaasti suuntautuneestaMammuttiKivestä, jossa harmaana ja tummanaerottuvat magnesiittirakeet. Rakeet ovat noin 0,5 mm halkaisijaltaan.Suuntautuneet talkkisuomut erottuvat sinivihreinä.

MammuttiKiven rakenneosaset, mineraalitVuolukiven – niin kuin tosiasiassa kaikkien muidenkinkivilajien – ominaisuudet ovat kiven perusrakenneosasten,mineraalien ominaisuuksista riippuvaisia. Jotkut mineraalitovat kovia ja jotkut taas pehmeitä, joillakin onkyky kestää korkeita lämpötiloja kun taas toiset ovat pysyviävain muutaman sadan celciusasteen lämpötilaan.Vuolukivet voivat koostua erilaisista, ominaisuuksiltaantoisistaan paljonkin poikkeavista mineraaleista, jaerityyppisten vuolukivien ominaisuudet saattavat poiketatoisistaan ratkaisevastikin. Voidakseen ymmärtää erilaistenvuolukiven ominaisuudet kokonaisuutena on välttämätöntätuntea ja ymmärtää kivien perusrakenneosasten,mineraalien ominaisuudet.Mineraali on kiinteä, kiteinen materiaali, joka on synty-ympäristössääntasapainoinen ja pysyvä. Sillä on tietty,mineralogisesti tarkasti määriteltävä kemiallinen koostumusja kiderakenne, eli mineraalin sisällä – mineraalinhilassa – jokaisella alkuaineella on tarkasti määrättypaikkansa. Vain tietyt, rajalliset koostumusvaihtelut ovatmahdollisia.MammuttiKivi-esiintymän kuumuudenkestävyydeltäänparaslaatuisin kivi koostuu pääosin vain kahdestamineraalilajikkeesta, magnesiitista ja talkista. MammuttiKivenlämmittäminen yli 520 ºC lämpötilaan voi synnyttääuuniolosuhteissa uuden mineraalilajikkeen, periklaasin.Seuraavassa on lyhyt esitys näiden mineraalilajienominaispiirteistä.MagnesiittiMagnesiitti, MgCO 3– magnesiumkarbonaatti, on väriltäänvalkoinen, harmahtava tai keltaisenruskea mineraali,jonka kovuus on hieman ihmisen kynttä suurempi.Mohsin asteikolla sen kovuus on 3,5–4,5, kun esimerkiksiikkunalasin kovuus on tällä logaritmisella asteikolla7. Magnesiitin ominaispaino vaihtelee välillä 2,96–3,1,eli se on yli kolme kertaa painavampaa kuin vesi. Kemialliseltakoostumukseltaan ideaalinen magnesiitti sisältääMgO:a 47,8 % ja CO 2:a 52,2 %. Mineraalin hilassamagnesiumin paikalle voi sitoutua myös rautaa, ja MammuttiKivi-esiintymänMammuttiKiven raudasta valtaosaon sijoittunut juuri magnesiittiseen karbonaattimineraaliinkorvaten noin kymmenesosan magnesiumkationeistamineralin hilassa.Kuvassa 8 on esitetty malli magnesiittisen karbonaatinkiderakenteesta. Kiderakenteensa takia magnesiitinominaisuudet ovat jossain määrin suunnasta riippuvaisia.Esimerkiksi lämpölaajentuminen on mineraalin C-akselinsuunnassa hieman suurempaa kuin sitä vastaan kohtisuorissasuunnissa. C-akselin suuntainen lämpölaajentumisvakioon 22,9*10 -6 /°C ja sitä vastaan kohtisuorissasuunnissa 6,75*10 -6 /°C. Ominaisuuksiin vaikuttaa myösse, missä määrin rauta on korvannut magnesiumia mineraalinrakenteessa. Esimerkiksi ominaispaino kasvaa lineaarisestiraudan määräsuhteen kasvun myötä. Mammutti-Kiven magnesiitissa raudan ja magnesiumin suhde onnoin 1:9, ja sen takia mineraalin ominaispaino on ideaalistamagnesiittia suurempi, noin 3,05. Mineraalin hilassakaikki rakenneosaset ovat asettuneet massapisteinä kolmeen,toisiaan vinosti leikkaavaan tasoon. Tämä perusrakennetoistuu suurtenkin mineraalirakeiden muodoissa(kuva 8), ja karbonaatin hyvä lohkeavuus kolmessa,omamuotoisen rakeen kidepintojen suuntia noudattavassatasossa seuraa tarkasti em. perusrakenteen tasosuuntia.HiiliMagnesium tai rautaHappiC-akseliC-akseliKuva 8. Magnesiitin kidekemiallinen perusrakenne (yläkuva),omamuotoinen magnesiittirae (alla vasemmalla)ja C-kideakselin geometrinen asema magnesiittirakeessa.MammuttiKivi ▪ 7

PeriklaasiPeriklaasi eli magnesiumoksidi, MgO, syntyy magnesiitistakuumennettaessa seuraavan reaktion mukaisesti:MgCO 3+ lämpö (T > 520 °C) -> MgO + CO 2Periklaasi on kiinteänä varsin kovaa, Mohsin asteikollasen kovuus on 6 ja ominaispaino vaihtelee välillä 3,58–3,90. Magnesiitista syntyneet periklaasirakeet ovat kuitenkinerittäin pieniä, ja silmin yksittäisiä rakeita ei olemahdollista erottaa. Muuttumistuloksena on nähtävissäruskehtava tai musta, mikrokiteinen massa (kuva 5).TalkkiTalkki kuuluu mineralogisessa luokituksessa ns. verkkosilikaattienryhmään, ja kaikki sen ominaisuudet on helpointaymmärtää tarkastelemalla lähemmin sen kidekemiallistaperusrakennetta. Talkin ideaalinen kemiallinenkaava on muotoa: Mg 3Si 4O 10(OH) 2. Pii ja happi muodostavatverkkomaisen rakenteen (kuva 9), jossa komponentitovat lujimpien mahdollisten kemiallisten sidosten,ioni- ja kovalenttisidosten yhdistämiä. Tämän johdostatalkin pii-happirunko on erittäin kestävä ja mikroskooppisenpienet suomumaiset talkkirakeet ovat perusverkkonsaosalta lujia. Talkin kovuus on Mohsin asteikollakuitenkin vain 1, eli se on eräs pehmeimmistä tunnetuistamineraaleista. Pehmeys aiheutuu siitä, että pii-happiverkkojenväleihin sijoittuvat magnesiumkationit ovat vainheikkojen kemiallisten sidosten avulla kiinni pii-happiverkossa.Hydroksyyliryhmät (OH) ovat myös heikosti mineraalinhilaan sidottuja. Tämän seurauksena yksittäiset,mikroskooppisen pienet talkkisuomut lohkeavat helpostiirti toisistaan ja ovat hyvin toisiaan vasten luistavia. Tästäaiheutuu yksi talkin tyypillisimmistä tunnuspiirteistä,mineraali pinta tuntuu rasvaisen liukkaalta. Talkin ominaispainovaihtelee välillä 2,7–2,8, eli sen tiheys on jossainmäärin pienempi kuin magnesiitin, mutta kuitenkinsuurempi kuin maankuoren kivilajien keskitiheys.Kiderakenteen sivuprojektioPii-happirunko päältäpäinpiimagnesiumhappiOH-ryhmäKuva 9. Talkin kidekemiallinen rakenne, pii-happirungon projektiokuva päältäpäin ja kideakseleiden (X, Y ja Z) sekä optistenakseleiden (a, b ja c) geometrinen asema talkkisuomussa.8 ▪ MammuttiKivi

MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivi-tyypitMammuttiKivi-esiintymän kivi on voimakkaasti suuntautunut,päämineraaleinaan parhaimmillaan vain talkkiaja magnesiittia sisältävä liuske. Lisäkomponentteinasiihen sisältyy pieniä määriä muita silikaattimineraaleja,serpentiiniä ja kloriittia sekä rautapitoisia oksidimineraaleja.MammuttiKivi-esiintymän hyvälaatuisessa MammuttiKivessänäitä lisämineraaleja on enimmilläänkinvain muutamia prosentteja kiven tilavuudesta, eli se mineraalikoostumuksenperusteella luokittuu yksiselitteisestitalkki-magnesiittityyppiseksi kiveksi.Mikroskooppimääritysten mukaan MammuttiKiviesiintymänkivien mineraalikoostumus on talkin osaltajokseenkin vakio. Sen tyypillinen MammuttiKivi sisältäätalkkia 45–55 %, magnesiittia 30–50 % ja lisämineraaleinasatunnaisesti kloriittia, serpentiiniä sekä oksidisiamalmimineraaleja (kuva 11). Serpentiiniä sisältyy analysoituihinnäytteisiin alle kymmenen prosenttia, ja kloriittipitoisuusjää poikkeuksetta alle kahteen prosenttiin.MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivistä teetettiinkemiallista koostumusta koskeva selvitys kanadalaisessaanalyysilaboratoriossa, XRAL:ssa. EsiintymänMammuttiKivet osoittautuivat kemialliselta koostumukseltaankeskenään samankaltaisiksi (kuva 12), eli niihinsisältyy piitä SiO2:na noin 30 %, magnesiumia MgO:na35 % ja rautaa FeO:na 10 % sekä karbonaattin rakenneosaksihiilidioksidia hieman yli 20 %.Kuva 11. MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivien modaalisia mineraalikoostumuksia.100%80%Pitoisuus60%40%20%0%HirKerKarS3SiO 2O Na 2K 2OFe O23CO2Al 2O3CaOMgOKuva 12. MammuttiKivi-esiintymän MammuttiKivien kemiallisia koostumuksia.10 ▪ MammuttiKivi

MammuttiKivissä hiilidioksidi on sitoutunut karbonaattimineraaleihin,ja hiilidioksidipitoisuus indikoisuoraan kiven magnesiittipitoisuutta. Muita alkuaineitaesiintymän MammuttiKiviin sisältyy vain pieniä määriä,esimerkiksi alumiinipitoisuus on keskimäärin vain 0,6 %Al 2O 3:a ja muiden alkuaineiden määrät vielä tätäkinpienempiä. Alumiinipitoisuus on merkittävä parametriMammuttiKiven kemiallisessa koostumuksessa siksi, ettäalumiini on yksi keskeinen alkuaine esimerkiksi kloriiteissaja kiillemineraaleissa. Näiden kummankaan mineraalinliiallinen esiintyminen ei ole tulisijakäytön kannaltavuolukiville eduksi. Mainittujen alumiinia sisältävienmineraalilajikkeiden syntyminen ei ole mahdollista, joskiviaines ei sisällä alumiinia, ja siksi pieni alumiinipitoisuuson edullinen ominaisuus hyvälaatuiselle Mammutti-Kivelle.Vuolukivimääritelmän mukaisesti kaikkiin vuolukiviinon sisällyttävä merkittävä määrä talkkia, mutta muidenmineraalien määräsuhteet ja lajit voivat vaihdellahyvinkin laajasti. Talkin lisäksi yleisimmissä vuolukivityypeissäpäämineraaleina esiintyvät mineraalilajit ovatkiillemineraaleja, kloriittia, amfiboleja, pyrokseeneja jaserpentiinimineraaleja. Tähän perustuen vuolukivet voidaanryhmitellä kiillepitoisiksi vuolukiviksi, kloriittipitoisiksivuolukiviksi jne. Magnesiittia sisältävät muunnoksetovat vuolukivinä verrattain harvinaisia, muttamagnesiitilla on kuitenkin tärkeä rooli vuolukiven lämmönvarauskyvynlisääjänä.Tekemiemme selvitysten perusteella MammuttiKivi-esiintymäkoostuu talkki-magnesiittyypin kivistä, jotkaovat kemiallisen- ja mineraalikoostumuksensa osaltavarsin tasalaatuisia. MammuttiKiven sisäisen rakenteenperusteella MammuttiKivi-esiintymästä on rajattavissaerityyppisiä muunnoksia, joiden kunkin ominaispiirteitäparhaalla tavalla hyödyntäen voidaan MammuttiKivimateriaalillesaada tulisijakäytössä merkittävää materiaaliteknistälisäarvoa.Oulussa 28.5.2001Kivitieto OySeppo GehörFil. tri, geologiAulis KärkiFil. tri, geologiTässä uusintapainoksessa on otettu käyttöön Nunnanlahden Uuni Oy:n rekisteröimätuotenimi, MammuttiKivi, jolla tarkoitetaan Nunnan lahden Uuni Oy:n kaivospiirinkaikkia vuolukivimuunnoksia.Uutta nimityskäytäntöä lukuun ottamatta tämä selostus vastaa sisällöltäänalkuperäistä, vuonna 2001 julkaistua tutkimusraporttia.Oulussa 31.1.2005Kivitieto OySeppo GehörFil. tri, geologiAulis KärkiFil. tri, geologiMammuttiKivi ▪ 11