Kallio jalkojesi alla tarjoaa välähdyksen muinaisen vuoriston juuriin

himalaja_el
Himalajan poimuvuoriston lumipeitteisiä huippuja. Kuva: Elina Lehtonen.

Etelä- ja Keski-Suomen alueella asuvat voivat rehellisesti kertoa asuvansa poimuvuoriston juuriosissa. Moni tietää käsitteen ”Svekofenninen vuoristo” tai ”Svekofennidien vuoristo”. Kyseessä on vuoristo, joka levittäytyi noin 1 900–1 800 miljoonaa vuotta maamme etelä- ja keskiosien alueille, ulottuen myös Etelä-Ruotsiin.

Tuore väitöstutkimus tarjoaa lisätietoa siitä, miksi ja miten tämä Svekofennidien vuorijono muinoin romahti. Kaisa Nikkilä Åbo Akademista on tutkinut Svekofennidien vuorijonon kehitystä erityisesti Pohjanmaalta Savoon ulottuvalla alueella.

 

Miksi poimuvuoristoja on olemassa?

Poimuvuoristot syntyvät kiinteän kivikehän palojen, eli litosfäärilaattojen, saumakohtiin kahden mantereisen laatanosan törmätessä. Törmäyksessä vuoristot paksuuntuvat sekä ylös- että alaspäin, jolloin ympäristöään korkeammille vuoristoille syntyvät myös syvälle ulottuvat juuret.

himalaja_poimu_el
Näetkö poimun? Vuoristojen muodostuessa kiviaines voi poimuttua. Poimuttumisen lopputulos Himalajalta. Kuva: Elina Lehtonen.

Ympäristöön paksumpi poimuvuoristo on epävakaa. Se pyrkii tasapainottumaan ympäröivän kivikehän paksuuteen. Vuoristo ei kuitenkaan välttämättä romahda, jos kuori on paksuuntunut hyvin laajalta alueelta.

Kuinka korkealle vuoristot voivat maapallolla sitten kohota? Vuoristojen korkeuteen vaikuttaa planeetan painovoima ja kivilajien viskositeetti, eli kyky vastustaa virtausta. Nykyinen Himalajan vuoristo on aikalailla maksimikorkeudessaan. Vaikka nykyisen Himalajan alueella kahden mantereisen kappaleen törmäys on edelleen käynnissä, vuoristo ei kasva korkeutta, vaan sitä muodostava kiviaines leviää horisontaalisesti.

 

Törmäyksestä graniittitehtaaksi

Geologi Pentti Eskola on todennut että ”Graniitti on maaemon hiki”.  Toteamus pitää hyvin paikkansa myös poimuvuoristojen kehityksen suhteen. Svekofennidien vuorijonon kehitys alkoi muinaisten tulivuorisaarten törmätessä toisiinsa ja paikoin nykyistä Itä- ja Pohjois-Suomea muodostavaan paljon vanhempaan mantereeseen.

Tällaisessa kahden mantereisen kappaleen törmäyksessä maankuori paksuuntuu ja poimuvuoriston juuriosien lämpötila ja paine kasvavat. Ja tässä urakassa kuorelle tulee hiki! Kiviaines poimuvuoristojen juuriosissa alkaa osittain sulaa. Näin syntyvät kivisulat voivat kiteytyä maankuoren sisällä syväkiviksi, kuten graniiteiksi, tai purkautua tulivuorista maanpinnalle kiteytyen vulkaniiteiksi.

Samalla tavalla kuin Keski- ja Etelä-Suomen alueella syntyi useassa vaiheessa vuorijononpoimutukseen liittyviä graniitteja, myös nykyisen Himalajan vuoriston juuriosissa on muodostunut ja muodostuu edelleen kuoren osittaisen sulamisen ja sulien kiteytymisen kautta graniittisia kiviä!

 

Muovailuvahamalleista apua geologiseen tutkimukseen

Geologiset prosessit tapahtuvat usein miljoonien vuosien aikajänteellä. Nikkilä hyödynsi tutkimuksessaan muovailuvahamalleja, jotka ovat yksinkertaisia, mutta tehokkaita tutkimusvälineitä luonnossa hitaasti tapahtuvien geologisten muutosten  havainnollistamiseen.

Muovailuvahasta, silikonista ja hiekasta tehtyjen mallinnusten avulla jäljennettiin sitä, miten maankuori käyttäytyy kun siihen kohdistuu venytystä. Mallituloksia verrattiin tutkimusalueiden kallioperästä saatuihin geologisiin ja geofysikaalisiin havaintoihin.

Nikkilä kertoo, että Svekofennidien vuoriston ohentuminen ja romahtaminen johtui maankuoren sisällä olevien kivisulien virtaamisesta kohti nykyistä länttä. Tämä johtui todennäköisesti siitä, että nykyisen lännen alueella oli vapaata tilaa johon kiviaines pääsi virtaamaan, kun taas vuorijonon itäpuolella oli vastassa vanhempi ja jäykempi arkeeinen manner.

Svekofennidien vuoriston romahdus ei tapahtunut silmänräpäyksessä. Todennäköisesti vuoriston romahtaminen kesti noin 14-16 miljoonaa vuotta.

– Miljoonien vuosien aikana tapahtunut kivisulien virtaaminen länteen, maankuoren rakenteiden venyminen ja pois paikoiltaan liikkuminen aiheutti vuoriston romahtamisen. Lisäksi kuoren osittain sulat sisäosat pääsivät kohoamaan tässä tapahtumassa ylöspäin ja osia vuoriston yläosista liikkui romahduksessa alaspäin, jatkaa Nikkilä.

– Tuhansien miljoonien vuosien aikana Svekofennidien vuorijonon huiput ovat kuluneet ja nykyisen kallioperämme leikkaustaso edustaa vuoriston juuriosia. Suomessa on siis käytännössä mahdollista nähdä poimuvuoriston sisään ja näin tutkia vuoriston sisäosien kehitystä. Muinaisten vuoristojen tutkimus antaa tietoa siitä mitä nykyisten vuoristojen, kuten Himalajan tai Andien sisäosissa, parhaillaan tapahtuu. Tämä tutkimus on siten sovellettavissa useiden vuoristojen kehitykseen ympäri maailman. Tutkimustulokset auttavat myös kohdentamaan malminetsintää, sillä romahduksessa syntyvät suuret kallioperän rakenteet liittyvät malmimineralisaatioiden syntyyn, kertoo Nikkilä.

kaisa_nikkila
Kaisa Nikkilä. Kuva: Åbo Akademi.

FM Kaisa Nikkilä väittelee 23.9.2017 klo 12 Åbo Akademin  Luonnontieteiden ja tekniikan tiedekunnassa aiheesta ”Analog models of the lateral spreading of a thick three-layer crust – Implications for the Svecofennian orogen in Finland”. Väitöstilaisuuden paikka: Auditorium 1, Geologicum, Tuomiokirkkotori 1.

Blogikirjoitus perustuu suurelti Nikkilän lehdistötiedotteeseen, väitöskirjaan ja siinä oleviin viitteisiin, sekä keskusteluihin Nikkilän kanssa. Kaisa Nikkilän väitöskirja on luettavissa elektronisesti Åbo Akademin sivuilta.

Lisää Himalajan vuorijonon kehityksestä ja Suomen Geologisen Seuran ekskursiosta Himalajalle voit lukea kirjoittamastani artikkelista Geologi-lehteen 5/2012.

Kenttätöissä Venäjällä

Lapsesta asti luonnossa liikkunut ja luonnontieteistä kiinnostunut Niina Kuosmanen haki lukion jälkeen menestyksekkäästi lukemaan maantiedettä Helsingin yliopistoon. Maisteriksi valmistumisen jälkeen Niina aloitti väitöskirjatutkimuksensa silloisella geologian laitoksella (nyk. geotieteiden ja maantieteen laitos). Tutkimuksensa puitteissa Niina on ollut kahteen otteeseen kenttätöissä Venäjällä, yhteensä noin kolmen viikon ajan.

Niinan tutkimusmatkat kohdistuivat Äänisen ympäristöön Siperian lehtikuusen läntisimmälle luontaiselle esiintymisalueelle. Tutkimusmatkojen tavoitteena oli kairata alueelta maaperänäytteitä siitepölytutkimuksia varten. Niinan lisäksi tutkimusmatkoilla on ollut mukana matkasta riippuen kolmesta kahdeksaan henkeä, pääosin venäläisiä yhteistyökumppaneita.

IndexMap_NKuosmanen

Niinan tutkimusmatkat sijoittuivat Äänisen länsi- ja itäpuolelle (engl. Onega), jossa Niina keräsi näytteitä Äänisen itäpuolelta (kuvassa keltaiset pallot). Lehtikuusen nykyinen levinneisyysalue on merkitty karttaan vinoviivoilla. Kuva: Kuosmanen et al. (2014).

Siitepölyjen seurassa aikamatkustusta 10 000 vuoden taakse

Kenttätöiden arki koostui maaperänäytteiden kairaamisesta. Sopivien tutkimuspaikkojen etsiminen tarkoitti välillä reippaita kävelymatkoja metsässä, lämpötilan lipuessa yli 30 asteeseen. Näytteenottovälineet odottivat autossa tai leirissä, josta ne haettiin kun oikeanlainen suopainanne löytyi metsän keskeltä. Tärkeää näytteenoton kannalta oli myös se, että painanteen lähellä kasvoi lehtikuusta, sillä se on yksi Niinan tutkimuksen keskeisistä puulajeista.

Tutkimusmatkoillaan Niina yöpyi sekä telttamajoituksessa, että Äänisen rannalla sijainneessa vanhassa koulukeskuksessa. Ensimmäisellä matkalla tutkimusryhmällä oli mukanaan kokki, joka huolehti myös leiristä muiden ryhmäläisten ollessa kenttätöissä. Ruokiin lisättiin venäläiseen tapaan runsaasti smetanaa ja koska Venäjällä juomasta on epäkohteliasta kieltäytyä kokonaan, aterioiden päätteeksi pääsi maistelemaan muun muassa maarianheinällä maustettua vodkaa.

Majoitus_NKuosmanenEnsimmäisen tutkimusmatkan telttatukikohta noin 100 km Äänisen itäpuolella sijainneen pienenjärven rannalla. Kuva © Niina Kuosmanen

Niinan väitöskirjatutkimuksen menetelmät sisältävät maaperästä kairattujen näytteiden sedimenttiaineksen sisältämien fossiilisten siitepölyjen ja hiilipartikkelien tutkimista. Jokaisella kasvisuvulla on omannäköisensä siitepöly. Sedimenttinäytteiden siitepölysisällöstä Niina pystyy päättelemään millaista kasvillisuutta paikalla on ollut aina nykypäivästä viimeiseen jääkauden loppumiseen asti. Siitepölysisällön vaihtelun kautta on mahdollista mallintaa menneitä ilmasto-olosuhteita. Hiilipartikkeleista puolestaan voidaan päätellä menneiden metsäpalojen esiintyminen tutkimusalueella.

Menneestä saatua tietoa voidaan hyödyntää tällä hetkellä käsillä olevan ilmastonmuutoksen vaikutusten ymmärtämisessä ja tämän asian Niina mainitsee omassa tutkimuskentässään kiehtovammaksi asiaksi. Kentällä näytteistä merkitään tarkasti muistiin näytteenottopaikka ja näytteiden syvyydet, mutta niiden tallentama geologinen tieto selviää vasta laboratoriotöiden jälkeen.

Näytteenotto_NKuosmanenMaaperänäyte on kairattu ja Niina siirtää näytemateriaalia näytepussiin Gleb Subetton avustuksella. Kuva © Niina Kuosmanen.

Koori_NKuosmanenLähikuva sedimenttikoorista. Valokuvassa näkyy hyvin sedimenttiaineksen värin vaihtelu kerrostumisajasta riippuen. Näytteiden sisältämä siitepölyjakauma selviää vasta laboratoriossa. Kuva © Niina Kuosmanen.

Alla oleva kaavakuva havainnollistaa maaperänäytteiden käyttöä menneisyyden tutkimisessa. Maaperään kairatut sedimenttikoorit ulottuvat pääosin 1,5–2 metrin syvyydelle. Paikasta ja sedimenttien kerrostumisnopeudesta riippuen tämän paksuisen näytteen avulla voi päästä käsiksi aina sedimenttiainekseen joka kerrostui noin 10 000 vuotta sitten viimeisimmän jääkauden jälkeen. Erilaisten työvaiheiden avulla sedimenttimateriaalista erotetaan sen sisältämät siitepölyt ja niiden määrät näytteessä lasketaan mikroskoopin alla kasvisuvuittain.

Niinan tutkimusten perusteella noin 10 000 vuotta sitten koivun ja männyn siitepölyjen osuus oli suurempi kuin kuusen. Noin 7000 vuotta sitten tutkimusalueen puusto alkoi muuttua hiljalleen kuusivaltaisemmaksi. Kaavakuvassa on esitetty selkeyden vuoksi vain kuusen ja koivun siitepölyt, mutta näytteet voivat sisältää kymmenittäin eri määrän kasvilajeja, joiden kaikkien osuus lasketaan. Yhdestä näytteestä lasketaan siis sadoittain yksittäisiä siitepölyhiukkasia.

venäläinen suokaira Kaavakuva sedimenttikoorin siitepölysisällön vaihtelusta. Koivun siitepölyt ovat halkaisijaltaan noin 0,15–0,20 mm ja koivun 0,04 mm. 

Liftaamassa suokairan kanssa

Helteet ja runsas määrä ajokilometrejä koituivat tutkimusryhmän auton turmioksi toisen paluumatkan aikana. Niina kertoo, että auton hyytyessä tienposkeen ei auttanut muu kuin napata noin kymmenkiloinen suokaira ja isoon kassiin pakatut näytteet kainaloon ja yrittää päästä Vologdan juna-asemalle liftaamalla. Vologdasta oli nimittäin saman päivän iltana lähtemässä yöjuna Pietariin, jonne osan tutkimusryhmästä oli tarkoitus jatkaa. Seikkailu sai onnellisen päätöksen, sillä tutkijat, suokaira, ja näytteet mahtuivat paikalle sattuneen pakettiautoilijan kyytiin. Ryhmä ehti myös suunniteltuun yöjunaan, vaikka aikataulu hieman tiukaksi menikin.

Molemmat tutkimusmatkat olivat kokonaisuudessaan Niinan mielestä mielenkiintoisia ja matkoiltaan hän kaipaa eniten yleisesti luonnossa olemista, sen havainnointia ja mukavia ihmisiä. Venäjän puolella olevat metsät ovat paikoin Suomeen verrattuna luonnontilaisempia ja rauhaa tuli myös siitä, että Äänisen itäpuolella matkapuhelimien kenttä oli olematon. Niina itse ei puhu venäjää ja tämän hän mainitsee olevan yksi matkojen harvoista huonoista puolista. Paikallisten ihmisten kanssa olisi ollut mielenkiintoista keskustella, mutta monet heistä eivät puhuneet lainkaan englantia.

Tulevaisuuden tutkimusprojekteissa Niina haluaisi mm. tutkia tarkemmin lehtikuusen levinneisyyttä ja siihen viime jääkauden jälkeen vaikuttaneita tekijöitä. Tämä tieto auttaisi arvioimaan yleisesti sitä, miten pohjoisen havumetsät ovat kehittyneet. Luonnosta ja sen tarkkailusta vapaa-ajallakin innostunut tutkija haluaisi kuuluisten tutkimusmatkailijoiden jalanjäljistä seurata Charles Darwinin Beaglelle tekemää tutkimusmatkaa maailman ympäri – nähdäkseen samat kiehtovat kasvi- ja eläinlajit kuin Darwin aikanaan!

Viite:

Kuosmanen et al. 2014. Role of forest fires in Holocene stand-scale dynamics in the unmanaged taiga forest of northwestern Russia. The Holocene 24(11): 1503–1514.

Jouluaattoon asti blogissa julkaistaan jokaisena päivänä geologiaan enemmän tai vähemmän liittyvä juttu tai kuva. Kaikki joulukalenteri-päivitykset löydät tämän linkin takaa.

 

Zirkonia metsästämässä

Aikaisemmin olen kirjoittanut siitä, että tutkimukseni olennainen osa on määrittää Suomen vanhimpien tulivuoriperäisten kivien tarkempaa ikää pikkuruisten zirkoni-mineraalien avulla. Tutkimukseni alkutaival kului suurelta osin näytevalintoja tehden ja zirkoneita etsien. Kaikissa kivilajeissa zirkoneita ei ole riittävästi ikäanalyysejä varten ja vaikka mineraalin saatavuutta pystyy ennustamaan kiven geokemiallisen koostumuksen perusteella, oli laboratoriopäivät joidenkin näytteiden kohdalla melko jännittäviä lopputuloksen kannalta. Koska näytteiden käsittely on melko aikaa vievää, täytyy tutkittavien näytteiden määrä suhteuttaa käytettävissä olevaan aikaan ja muihin resursseihin.

Mutta mistä zirkonin metsästäminen alkaa? Zirkonia etsivä geologi suuntaa kulkunsa päättäväisesti kohti kalliopaljastumia. Joskus sopiva paljastuma löytyy sopivasti metsätien varrelta, joskus täytyy taivaltaa suon läpi vaelluskengät märkinä. Lupaavalle paljastumalle päästyään geologi kaivaa esille vasaran (ja suojalasit!) ja nakuttelee sopivasta kohtaa kalliota näytepalasen. Tarvittava näytemäärä riippuu siitä, mitä kivestä halutaan tutkia. Lisäksi myös kivilaji vaikuttaa näytteen kokoon, mutta sopiva määrä mitataan usein kiloissa. Omassa tutkimuksessani tärkeimpiä kivilajeja iänmäärityksen kannalta ovat mahdollisimman silikarikkaat (eli SiO2-rikkaat) kivet, joiden kohdalla zirkonin löytäminen kivestä on todennäköisempää.

Suomen kallioperästä on kuitenkin paljastuneena vain noin 4% ja loput peittyneenä viimeisimmän jääkauden kerrostamien maa-ainesten alle. Sinnikäs geologi menee kuitenkin myös sinne minne aurinko ei paista, eikä vasaran iskut ulotu. Nimittäin kiven sisään. Tutkimuksessani olen käyttänyt materiaalina paljon myös aiemmin kallioperään kairattuja kairasydämiä jolloin olen saanut kerättyä näytteitä myös alueilta jotka eivät ole maanpinnalla paljastuneena.

Vasemmalla kentältä kerättyjä kivinäytteitä. Oikealla kallioperästä kairattu kairasydän tarkasteltavana.
Vasemmalla kentältä kerättyjä kivinäytteitä. Oikealla kallioperästä kairattu kairasydän tarkasteltavana.

Kun näytteet on saatu kentältä tai kairasydänvarastolta laboratoriolle on vuorossa niiden pesu, murskaus ja jauhaminen hienorakeiseksi jauheeksi. Jauhamisen tarkoituksena on irrottaa kivilajia muodostavat mineraalirakeet, ja näin ollen myös zirkonit, toisistaan. Kun murske on jauhettu, pestään saadusta jauheesta hienoin pöly pois. Tämän jälkeen näyte menee uuniin kuivattavaksi ja kun jauhe on täysin kuivunut, on näyte valmis seuraavaan vaiheeseen eli raskasnesteseparointiin!

Näytteet sievässä rivissä odottamassa seuraavaa etappia!
Näytejauheet rivissä odottamassa seuraavaa vaihetta!

Raskasnesteseparointi perustuu mineraalien erottamiseen tiheyserojen avulla. Alakuvassa näyte on sekoitettu metyylijodidiin, jonka tiheys on 3,3 g/cm3.  Näytteenkäsittelyn kohteena oleva zirkoni laskeutuu muiden nestettä raskaampien mineraalien kanssa suppilon alaosaan, josta se kerätään erilleen. Käytännössä neste-näyteseosta joudutaan sekoittamaan moneen otteeseen ja hämmentelyä jatketaan niin kauan että kevyestä näyteosuudesta ei erotu enää nestettä raskaampia mineraaleja. Omien näytteideni kohdalla tähän vaiheeseen kului näytekohtaisesti yleensä yksi kokonainen päivä, mutta helpompia ja zirkonista rikkaampia näytteitä voi käsitellä tällä tavalla 2-4 kappaletta päivässä. Tämän osuuden jälkeen separointia jatketaan muutamalla muulla työvaiheella, sillä yleensä niin kutsuttu raskasfraktio sisältää tässä vaiheessa vielä jonkin verran muita mineraaleja zirkonien lisäksi.

Esimerkkejä aineiden tiheyksistä (g/cm3):
puhdas jää = 0,9; vesi = 1; kvartsi ~2,6; metyylijodidi ~3,3; zirkoni = 4,65.

JES, suppilon pohjalla näkyy hippuja! Toivottavasti joukossa on myös zirkonia!
JES, tätä on odotettu! Suppilon pohjalla näkyy hippuja, toivottavasti joukossa on myös zirkonia!

Usean separointivaiheen jälkeen toivottu tulos on runsas kokoelma zirkoneita erillisessä pienessä purkissaan. Analyyseja varten halutut rakeet noukitaan erilleen käsin. Koska zirkonirakeet ovat yleensä melko pieniä tarvitaan tässä avuksi binokkelimikroskooppi, neula ja vakaa käsi. Väsyneenä tätä vaihetta ei kannata tehdä! Noukitut rakeet asetetaan erityiselle kaksipuoleiselle teipille, jonka avulla rakeet voidaan valaa muottiin ja josta ne voidaan analysoida. Ikämääritykset zirkonista perustuvat radioaktiivisen uraanin hajoamiseen lyijyksi.

Tutkimukseni näytteet separoin Geologian tutkimuskeskuksen, eli GTK:n, laboratoriossa. Teipille noukituista zirkoneista tehdyt näytenapit valmistettiin pääosin Nordsim-laboratorion henkilökunnan toimesta. Ikämäärityksiä olen tehnyt molemmissa laboratorioissa.

 

Päivitys 31.7.2019: selkeytin hieman ensimmäisen kappaleen sisältöä.