Avainsana: maapallo

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.

Lisää maapallon kehärakenteesta

Palataan vielä tämä postauksen ajaksi maapallon sisuksiin. Mitä ovat maapallon eri kehät ytimestä ylöspäin ja miten ne suhteutuvat toisiinsa? Näistäkin esiintyy paljon sekaannusta.

Maapallon pinnalla törmäilevät laatat eivät koostu kuoresta vaan niihin kuuluu siis myös jähmeä osa vaippaa. Niitä yhdessä kutsutaan litosfääriksi. Kuoren ja litosfäärivaipan ero on koostumuksellinen – kuoressa on paljon graniittisia piirikkaita aineksia. Litosfäärin alla on astenosfääri, jonka alaraja on epäselvä. Astenosfäärissä esiintyy magman muodostumista ja se on helpommin muovautuva kuin litosfääri. Mesosfääri onkin sitten taas kokonaan kiinteää erittäin hitaasti virtaavaa kiveä. Tämä jako on siis kiviaineksen käyttäytymiseen liittyvä.

Maanjäristysaaltojen etenemistä mittaamalla maapallon sisuksista on saatu selville rajapintoja, jotka liittyvät korkeassa paineissa tapahtuviin mineraalien muutoksiin. Näiden perusteella vaippa voidaan vaihtoehtoisesti jakaa ylävaippaan, vaihettumisvyöhykkeeseen, alavaippaan sekä alavaipan pohjalla olevaan kaoottiseen ydinvalliin. Etenkin 660 km rajapinta on merkittävä: sen läpi nousuvirtausten on vaikea kohota ja alas painuvien laattojen vaikea sukeltaa. Vaihettumisvyöhykkeellä onkin jumissa kaikenlaista sotkua laatoista, merivedestä ja timanteista lähtien.

Suurin sekaannuksen aiheuttaja on kivikehä. Kivikehää voisi luontaisesti pitää litosfäärin synonyyminä. Mutta koko vaippahan on valtaosin kiinteää kiveä sinne ytimen rajapinnalle asti! Tulisiko kivikehää siis kuitenkin käyttää synonyyminä kuorelle ja koko vaipalle, jotka ovat nestemäisen ulkoytimen yläpuolella? Sekaannuksen aiheuttava litosfääri sai nimensä silloin, kun sen alapuolella vielä ajateltiin olevan vain magmaa tai kaasuja. Nimitys jäi elämään, vaikka kiviaineksen havaittiin myöhemmin jatkuvan maapallon sisuksissa myös litosfäärin alapuolella. Tästä kömmähdyksestä täällä kivikehän pinnalla edelleen siis sekaannumme.

Näistäkin aiheista voit lukea lisää Geologi-lehteen kirjoittamastamme artikkelista ”Kehäpäätelmiä – maapallon sisäosien rakenne ja suomenkielinen nimistö”.

Mitä on pääsiäismunamme sisällä?

Seuraa korjaus yhteen geologian ehkä yleisimmistä väärinkäsityksistä: maapallon kuori EI kellu sulan vaipan päällä! Kuoresta ja vaipan jäykästä yläosasta koostuvien kiinteiden litosfäärilaattojen lisäksi myös sen alla oleva vaippa on nimittäin miltei kokonaan kiinteää kivistä ainesta. Se virtaa kyllä, mutta hyvin hyvin hitaasti ja jähmeästi vuosimiljoonien aikana – kuin vuoriston uumenissa poimuttuvat kivikerrokset.

Pääsiäismunamme on siis suurimmaksi osaksi kiinteä. Kivisulaa esiintyy merkittäviä määriä vaipan yläosissa oikeastaan vain siellä, missä esiintyy tulivuoritoimintaa. Ainoa kokonaan sula kerros maapallomme sisällä on ulkoydin. Kananmunavertaus maapallon rakenteesta on siis hieman ontuva – ehkä se on pikemminkin keitetty sellainen kuin raaka.

Muista kuvassa mainituista maapallon sisäosien omituisuuksista voit lukea lisää Geologi-lehteen kirjoittamastamme artikkelista ”Kehäpäätelmiä – maapallon sisäosien rakenne ja suomenkielinen nimistö”.