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.

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!

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, 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.

Saisiko olla hieman popcornia? …eli radioaktiivisuuden perusteet maissinjyvässä!

Viime viikolla kirjoitin siitä että zirkoni on tutkimukseni paras ystävä, sillä se tallentaa muistiinsa tapahtumia vuosimiljardien takaa. Zirkonin käyttökelpoisuus pohjautuu siihen, että kiteytyessään kivisulasta, eli magmasta, zirkoni ottaa rakenteeseensa vastaan radioaktiivista uraania (U), mutta ei juurikaan uraanin hajoamistuotetta lyijyä (Pb). Tätä tapahtumaa voi verrata kattilaan jonne kaadetaan maissinjyviä.

Leffaeväät tuloillaan! Kiteytyvä zirkoni ottaa rakenteeseensa vastaan vain uraania. Kattila ottaa vastaan vain poksahtamattomia maissinjyviä.

Kiteytynyt zirkoni pysyy alle 900°C:ssa suljettuna systeeminä – samalla tavalla kuin kannella suljettu kattila. Parhaimmassa tapauksessa zirkoni, sekä kattilan kansi, pysyy suljettuna kiteytymishetkestä tähän päivään. Tämä tarkoittaa että sinne ei siis ajan kuluessa pääse livahtamaan lisää (eikä sieltä myöskään poistu) maissinjyviä tai valmiita popcorneja.

Zirkoni ja kattila ajanhetkellä 0, eli kun systeemi on juuri sulkeutunut.

Ajan kuluessa zirkonissa oleva radioaktiivinen uraani (=äiti-isotooppi) hajoaa määrätyn hajoamissarjan kautta stabiiliksi lyijyksi (=tytär-isotooppi). Tapahtuma on yksisuuntainen: lyijy ei voi muuttua takaisin uraaniksi. Laittaessasi maissinjyviä kattilaan, et voi tietää mikä niistä poksahtaa ensimmäisenä (= radioaktiivisuuden spontaanisuus). Ja kun maissinjyvä on poksahtanut maukkaaksi popcorniksi, se ei voi muuttua takaisin jyväksi (= radioaktiivisen tapahtuman peruuttamattomuus).

Kohtaamisia isotooppimaailmassa. Hiili-12 isotooppi on yksi pysyvistä eli stabiileista isotoopeista, toisin kuin uraani. Kuva piirretty Clocks in Rocks -sivun idean pohjalta**.

Radioaktiivisten aineiden  hajoamista kuvataan puoliintumisajalla. Radioaktiivisten alkuaineiden puoliintumisajat vaihtelevat. Uraanin 235-isotoopin puoliintumisaika on 704 miljoonaa vuotta. Tämä tarkoittaa että yhden puoliintumisajan, eli 704 miljoonan vuoden kuluessa, puolet äiti-isotoopeista on hajonnut tytär-isotoopeiksi. Mittaamalla äiti- ja tytärisotooppien määrät, voidaan kiven ikä laskea tiedetyn puoliintumisajan avulla. Popcornivertauksessa tämä tarkoittaisi sitä, että yhden puoliintumisajan kuluttua puolet kattilassa olevista jyvistä on poksahtanut popcorniksi. Jos tiedettäisiin mikä on maissinjyvien “puoliintumisaika” voitaisiin jäljellä olevien poksahtamattomien (äiti-isotoopit) ja poksahtaneiden maissinjyvien (tytär-isotoopit) määrät laskemalla arvioida milloin kattilallinen maissinjyviä laitettiin hellalle.

Yksi puoliintumisaika takana! Vielä pitää paahtaa että saa hyvät leffaeväät!

Kannattaa lukea myös siitä mistä sitä zirkonia oikein löytyy!

**Kuvan idea täältä. Idea popcornin käyttöön radioaktiivisen hajoamisen analogiana alunperin täältä.

Kivi muistaa ikänsä

Tutkimukseni keskeinen asia on Suomen vanhimpien tulivuoriperäisten kivien iän ja ikäjakauman tarkempi selvitys. Tutkimuksestani kertoessa usein kysytty kysymys liittyy siihen, miten kiven iän voi saada selville.

Tieto maapallon kehityshistoriasta on kartutettu tutkimalla esimerkiksi erilaisten kivien ikiä ja niiden suhteita.  Suhteellinen ikä vertailee eri kiviyksiköitä toistensa suhteen. Ihmisten ikiin tätä sovellettaessa voisimme sanoa että Sauli on Pekkaa nuorempi (mutta emme välttämättä tietäisi kummankaan varsinaista ikää). Absoluuttinen ikä sen sijaan kertoo kuinka vanha kivi on. Aikaisempaan esimerkkiin soveltaen voisimme siis jollakin tavalla saada selville, että Pekka on 15-vuotias. Kun kahden kiviyksikön suhde tunnetaan, voidaan tämä tieto yhdistää toisesta kivestä tehtyyn absoluuttiseen iänmääritykseen. Saulin ja Pekan tapauksessa tietäisimme siis sen, että Pekka on 15-vuotias ja Sauli on Pekkaa nuorempi (eli alle 15-vuotta). Saulin absoluuttisen iän selvittämiseksi meidän pitäisi tehdä vielä tarkempaa tutkimustyötä.

Tieto siitä, miten maapallo on kehittynyt lainehtivasta magmamerestä siniseksi planeetaksi mantereineen, on rakentunut muun muassa kivien suhteellisten ja absoluuttisten ikien tutkimisen kautta. Uusien tutkimusten myötä tätä historiaa on mahdollista saada vielä tarkemmaksi.

Zirkoni – geologin paras ystävä?

Pääpaino omassa tutkimuksessani on kivien absoluuttisen iän määrittäminen. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää useita mineraaleja, mutta hyvin vanhojen kivien ikämäärityksen kannalta parhaimpiin mineraaleihin kuuluu kestävä zirkoni (kemiallinen kaava: ZrSiO₄). Se pyrkii säilyttämään tallentamansa alkuperäisen geologisen tiedon parhaansa mukaan – siitäkin huolimatta, että kivi muokkautuisi uudelleen kallioperän nuorempien kehitysvaiheiden myötä! Alkuperäisen tiedon lisäksi zirkoni saattaa tallentaa ikätiedon myös näistä nuoremmista tapahtumista, jolloin pieni kide voi olla arvokas tietopaketti kallioperämme monivaiheisesta historiasta.

Zirkonista saatu ikä perustuu mineraalirakeesta mitattuihin isotooppisuhteisiin. Omassa tutkimuksessani olen käyttänyt analyysimenetelmiä, joissa analysoin kivestä erotettujen yksittäisten zirkoni-kiteiden ikiä. Monia syntymäpäiväsankareita lohdutellaan sanonnalla “ikä on vain numero”. Tämä pitää paikkansa myös zirkonien kohdalla! Ikätulkinnan tekeminen ei kaikkien kivien suhteen ole aina niin yksinkertaista ja sen rinnalle tarvitaan aina muutakin tutkimusta kuten kenttähavaintoja, etenkin Suomen moneen kertaan rytätyssä ja uudelleen muokatussa kallioperässä.

Vaikka tutkimukseni keskittyy vulkaniitteihin, olen kerännyt näytteitä myös vulkaniittijaksoihin liittyvistä sedimenttikivistä sillä ne ovat osa vulkaniittijaksojen myöhempää kehitystä. Sedimenttikivien zirkonirakeet ovat peräisin muualta rapautuneesta kiviaineksesta ja näin ollen sedimenttikivien zirkonivarastoja penkoessa saattaa löytää esimerkiksi viitteitä vulkaniittijaksoja paljon vanhempiin tai nuorempiin kiviin. Lisäksi sedimenttikivien zirkonivarastot kertovat iän sille kuinka vanha sedimenttikivi voi maksimissaan olla.

Vaikka kaikki geologit eivät zirkoneista niin piittaa, niin tutkimusmielessä ne lukeutuvat tällä hetkellä kyllä omiin parhaimpiin ystäviini! Tästä syystä yksi joulukuisen työmatkan parhaista “turistikohteista” oli piipahtaa kadulla joka on nimetty näiden pienien kiteiden mukaan!

Zircon Place, San Fransisco, Kalifornia

Suomen, ja Euroopan unionin, alueelta löydetty vanhin kivi on Siuruan gneissi joka on iältään noin 3,5 miljardia vuotta¹. Vanhimmat maapallolta löydetyt zirkonit ovat lähes 4,4 miljardia vuotta vanhoja ja ne ovat löytyneet Australiasta, kuuluisasta Jack Hillsin konglomeraatista. Kiven ikää kysyttäessä geologin suusta kumpuaa vastaukseksi usein miljoonia ja tuhansia miljoonia vuosia (ainakin Suomen kallioperän kohdalla). Kiviä syntyy kuitenkin koko ajan lisää ja niiden ikä tiedetään joskus hyvinkin tarkasti (eikä siihen tarvita edes zirkonia)!

Tämä kivi on syntynyt Eyjafjallajökull-tulivuoren purkautuessa 2010. Purkaus muistetaan siitä, että miltei lähes koko Euroopan lentoliikenne pysäytettiin väliaikaisesti ilmakehässä olleen tuhkapilven vuoksi.

Kannattaa pysyä kuulolla, ensi viikolla paneudutaan tarkemmin radioaktiivisuuteen ja isotooppisuhteisiin (popcornin poksauttelun kautta)! Lue jatkojuttu tämän linkin takaa. Toinen jatkojuttu Zirkonia metsästämässä kertoo taas sen, mistä ja miten niitä zirkonikiteitä saadaan tutkittavaksi.

—-Viite:

¹Mutanen, T. ja Huhma, H. The 3.5 Ga Siurua trondjhemite gneiss in the Archaean Pudasjärvi Belt, northern Finland. Bulletin of the Geological Society of Finland 75; 51–68.