Geologian alkulähteillä – osa 2/2

Ennen kuin James Hutton vieraili Siccar Pointilla, hän oli tehnyt jo merkittäviä havaintoja muualla Skotlannissa. 1700-luvun lopulla geologiaan kuului oleellisena osana pohdinnat erilaisten kivilajien synnystä. Kerroksellisten sedimenttikivien kohdalla se oli selvää – ne olivat kivettyneitä savia, hiekkoja ja soria. Mutta mitä olivat esimerkiksi graniitit?

Monien luonnontietelijöiden mielestä graniitit olivat myös sedimenttikiviä, jotka olivat syntyneet saostumalla maapallon aikoinaan peittäneestä ”alkumerestä”. Niitä pidettiin kaikkein vanhimpina kivinä, jotka muodostivat perustan muille geologisille muodostumille. Laajojen kenttätutkimusten perusteella Hutton päätyi erilaiseen lopputulokseen.

Vuonna 1785 Hutton vieraili Glen Tiltin laaksossa, noin 100 kilometriä Edinburghista pohjoiseen. Laakson pohjalla virtaava joki huuhtoo sen rantakallioita ja pitää ne puhtaana kasvustoista. Lähellä Huttonin majapaikkaa, Forest Lodgea, sijaitsee kallioita, joissa näkyi graniitin ja liuskeiden kontaktivyöhykettä. Vierailimme näillä paljastumilla huhtikuussa 2023.

Glen Tiltin kallioita. Oikealla pienen kuusen takana näkyy Dail-an-eas-sillan raunioita. Huttonin visiitin aikoihin silta oli vielä ehjä ja ylitti joen.
Forest Lodge, jossa Huttonkin yöpyi.

Tästä geologisesti herkullisesta asetelmasta käy ilmi, että graniitti on tunkeutunut liuskeen sisään ja siitä läpi – ja jopa pilkkonut siitä palasia sekaansa. Tämä ei Huttonin mielestä voinut tarkoittaa kuin kahta asiaa: 1) graniitin on täällä oltava liusketta nuorempi, ja 2) graniitin on joskus täytynyt olla ”nestemäistä” materiaalia, joka on sittemmin jähmettynyt. Myöhemmät tutkimukset ovat osoittaneet Huttonin olleen oikeassa. Graniitti on kivisulasta kiteytynyt kivi ja paikoin – kuten Glen Tiltissä – se leikkaa alun perin pintasyntyisiä kivilajeja, jotka ovat sitä nuorempia.

Punertava graniitti leikkaa terävästi liusketta ja on pilkkonut sitä sisäänsä. Graniitti on iältään noin 390 miljoonaa vuotta, liuskeet ovat ainakin 100 miljoonaa vuotta vanhempia.
Vaaleat graniittijuonet leikkaavat terävästi liusketta.

Graniittien synty ei vain ollut jokin maapallon alkuaikojen mystinen prosessi, vaan niitä on syntynyt kaiken aikaa – ja syntyy nykyäänkin maapallon magmaattisesti aktiivisilla alueilla. Valtaosa eteläisen Suomen graniiteista syntyi poimuvuoriston uumenissa Svekofennisessä orogeniassa noin 1,9-1,8 miljardia vuotta sitten. Monin paikoin nekin leikkaavat terävästi niitä ympäröiviä, kuoren syvyyksiin poimuttuneita ja niitä jonkin verran vanhempia tulivuori- ja sedimenttikiviä.

Geologian alkulähteillä – osa 1/2

Nyt otamme pienen tauon Suomen kallioperän kehitysvaiheiden läpi käymiseen. Olemme nimittäin olleet koko huhtikuun WSOY:n kirjallisuussäätiön residenssissä Edinburghissa ja kerromme täältä kuulumisia!

Geologian tieteenalan kehityksen kannalta Skotlanti on eräs merkittävimmistä alueista maailmassa. Yksi geologian pioneereista, luonnontieteilijä James Hutton (1726–1797), teki täällä käänteentekeviä havaintoja kivistä Skotlantilaisen valistuksen aikoihin 1700-luvun lopulla.

James Hutton. Henry Raeburnin (1756–1823) öljyvärimaalaus vuodelta 1776. (public domain)

Noin 50 kilometriä Edinburghista itään Pohjanmeren rannalla, lähellä pientä kylää nimeltään Cockburnspath, sijaitsee paikka nimeltään Siccar Point. Hutton vieraili paikalla vuonna 1788. Silloin hän kiinnitti huomiota hiekkakiviin, joita paikalla on kahta erilaista. Alemmassa harmaassa hiekkakivessä kerrokset näyttivät olevan pystyssä. Sen päällä oli punertavaa hiekkakiveä, joka oli enemmän vaaka-asennossa, vaikkakin silti vähän kallellaan. Punertavan hiekkakiven kerrokset leikkasivat terävästi harmaan hiekkakiven kerroksia.

Siccar Point

Hutton kollegoineen ymmärsi, että tällaisen muodostuman syntyyn on tarvittu aivan älyttömästi aikaa – paljon enemmän kuin se 6000 vuotta, mihin arkkipiispa James Ussher (1581–1656) oli päätynyt Raamatun sukulinjoja laskemalla reilu sata vuotta aikaisemmin. Ensin harmaan hiekkakiven on täytynyt kerrostua ja kivettyä, sitten kääntyä pystyyn, sen jälkeen kulua osittain pois, ja lopuksi peittyä punertavilla hiekoilla, jotka vuorostaan kivettyivät ja vielä kallistuivat alkuperäisestä asennostaan.

Elina istuu pystyyn kääntyneiden harmaiden hiekkakivikerrostumien päällä Siccar Pointilla. Hänen takanaan on vaaka-asentoisempia punertavia hiekkakiviä. Elinan käsi on epäjatkuvuuspinnalla, jonka kohdalla on 65 miljoonan vuoden hiatus eli ajanjakso, jolta kerrostumat puuttuvat.

Nykyään tiedämme, että harmaa hiekkakivi on iältään 435 miljoonaa vuotta eli siluurikautinen. Se poimuttui ja kääntyi pystyyn Kaledonisessa vuorijonopoimutuksessa, kun Laurentian ja Baltican muinaismantereet törmäsivät. Punertava hiekkakivi kerrostui 370 miljoonaa vuotta sitten devonikaudella. Kivilajien ikäero on siis noin 65 miljoonaa vuotta. Hutton oli oikeassa ja oli kuvannut tärkeän epäjatkuvuuspinnan, jossa vierekkäin esiintyvillä geologisilla muodostumilla on merkittävä ikäero.

Geotieteilijä James Hallin (1761–1832) luonnos Siccar Pointin hiekkakivikerrostumista. Hän ja luonnontieteilijä John Playfair (1748–1819) olivat Huttonin mukana Siccar Pointilla vuonna 1788. (public domain)

Kaledonisella vuorijonopoimutuksella oli muuten myös vaikutuksia Suomen kallioperään. Silloin työntyivät muun muassa Saana-tunturin huipun muodostavat sedimenttikivet niitä paljon vanhemman kallioperän päälle. Saanankin kerrostumien alla on siis merkittävä epäjatkuvuuspinta!

-> Osa 2/2

Kiven iän selvittämisestä lyijyttömään bensiiniin

Mitä hyötyä on ikivanhojen kivien tutkimisesta? Tämä kysymys tulee toisinaan vastaan, ja lähtökohta kysymykselle on ymmärrettävä. Voi olla vaikea nähdä suoraa yhteyttä miljardeja vuosia vanhan kivimöykyn ja nykyisen yhteiskuntamme välillä.

Suuri osa maapallomme luonnonvaroista kuitenkin liittyy muinaisiin kiviin, ja usein tulivuoriperäisiin sellaisiin. Niiden perustutkimus voi myös johtaa yllättäviin tapahtumaketjuihin, jotka vaikuttavat suoraan arkeemme. Näin oli myös seuraavassa tapauksessa.

Kiven ikämääritys voidaan tehdä esimerkiksi radioaktiiviseen hajoamiseen perustuvalla uraani-lyijy-menetelmällä. Ensimmäiset tarkat uraani-lyijy-ajoitukset kivistä tehtiin 1950-luvulla Yhdysvalloissa. Aluksi geokemisti Clair C. Pattersonin (1922-1995) tekemissä analyyseissa oli koko ajan pientä epätarkkuutta: lyijyä ei millään saanut analysoitua täysin luotettavasti. Patterson oivalsi, että lyijyä, myrkyllistä raskasmetallia, oli ylen määrin kaikkialla ympäristössä. Hän päätti eristää laboratorionsa tarkasti ulkomaailmasta ja analyysit alkoivat sujua.

Myöhemmin Patterson alkoi kollegoineen tutkia lyijyn yleisyyttä ja tuoda aihetta esille yhteiskunnalliseen keskusteluun. Tutkimus ja valistustyö johtivat lopulta lyijyttömän bensiinin kehittämiseen ja sitä kautta lyijypäästöjen ja -myrkytysten merkittävään vähenemiseen. Tätä ennen Patterson oli vuonna 1956 julkaissut ensimmäisen meteoriittien U-Pb-ajoitukseen perustuvan arvion maapallon iästä: 4,55 ± 0,07 miljardia vuotta.

Tällaiset tapahtumaketjut ovat perustutkimuksen suola – esimerkiksi sähköä, puhelinta tai tietokonetta ei olisi keksitty ilman ympäröivästä maailmasta kiinnostuneiden ihmisten yllättäviä löytöjä. Kun tutkijat saavat vapaasti kokeilla aiemmin tuntemattomia asioita, syntyy uutta tietoa. Soveltava tutkimus ei yksin tähän kykene, sillä se hyödyntää suurelta osin jo olemassa olevaa tietoa. Jos tietäisimme aina etukäteen, mihin tutkimuksemme johtavat, ei tutkimuksella olisi mitään virkaa.

Tästä syystä myös geologinen perustutkimus on ollut ja on edelleen tärkeää. Tulevaisuudessa geotieteet ovat vieläpä erityisasemassa, kun erilaisiin haasteisiin etsitään ratkaisuja. Näihin kuuluuu esimerkiksi sen lyijyttömän bensiinin korvaaminen vähäpäästöisemmillä energialähteillä.

Vanhin pala Suomea

Kuvassa on vanhin tunnettu pala Suomea. Se on halkaisijaltaan alle millimetrin kymmenesosan ja muodostaa keskiosan yhdestä Pudasjärven Siuruan gneissistä erotetusta zirkoni-mineraalin kiteestä. Kiteen poikkileikkaus on oikealla kuvattuna pyyhkäisyelektronimikroskoopilla.

Kiteen keskiosan ikä on 3,7 miljardia vuotta (Ga). Kyseisen uraani-lyijy-ajoituksen virheraja on 0,009 miljardia vuotta eli yhdeksän miljoonaa vuotta. Pelkästään ajoituksen virherajan sisälle mahtuu siten ihmislajin koko taival moninkertaisesti.

Vasen kuva on lohkareesta Siuruan gneissiä, joka on esillä Luonnontieteellisen museon Suomen Luonto -näyttelyssä (lue lisää Vihreäkiven arvoitus -blogista). Oikea kuva on muokattu Tapani Mutasen ja Hannu Huhman tutkimuksesta, jossa Siuruan gneissin sisältämiä zirkoneita ajoitettiin, ja joka julkaistiin julkaisusarjassa Bulletin of the Geological Society of Finland.

Mutta miksi ihmeessä tuon saman zirkonikiteen ulkoreuna on sen keskustaa miltei 300 miljoonaa vuotta nuorempi? Ja vaikka tämän kiteen ydin onkin vanhin tunnettu PALA Suomen kallioperää, se ei silti ole vanhin Suomesta LÖYTYNYT asia. Niitä on itse asiassa useita… mitähän ne mahtaisivat olla? Näistä lisää myöhemmin!