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.

Kivi- ja kasvimaailman välissä

Komatiitti on tulivuoriperäinen kivilaji jonka koostumus on hyvin magnesiumrikas. Se sisältää vähän piidioksidia ja sitä kutsutaan myös ultraemäksiseksi kivilajiksi. Komatiitteja on purkautunut erityisesti Maan nuoruudessa. Suurin osa komatiittisista kivistä syntyi arkeeisella ajalla yli 2,5 miljardia vuotta sitten. Nuorimmat komatiittiset laavat ovat iältään noin 88 miljoonaa vuotta¹. Nykyään komatiitteja ei enää muodostu maapallolla, mutta miljoonia ja miljardeja vuotta sitten purkautuneet komatiitit ovat kuitenkin paikoin säilyneenä kallioperässämme.

Komatiittisissa kivissä voi usein nähdä pitkiä ja neulamaisia oliviinikiteitä muodostamassa tiheän verkoston. Tämä tekstuuri on syntynyt hyvin juoksevan kivisulan jähmettyessä nopeasti. Tekstuuri on komatiittisten laavapatjojen pintaosissa melko yleinen ja sille on olemassa erityinen termi: spinifex.

Mikroskooppikuva komatiittisesta laavasta joka purkautui arkeeisella ajalla (Munro Township, Kanada). Laavan pintakerroksen nopea jäähtyminen sai aikaan kauniin oliviiniverkoston. Kuvan pitkä sivu on noin 7 mm. Kuva otettu tasopolaroidussa valossa. Ohuthie kuuluu Helsingin yliopiston geologian ja geokemian osaston kurssihieisiin.

Edellä mainittu liittyy kasvimaailmaan siten, että komatiittien spinifex-tekstuuri on saanut nimensä muun muassa Australiassa ja Uudessa-Seelannissa kasvavan spinifex-ruohon mukaan. Spinifex-ruohojen nimi taas juontuu latinan sanaan spina, joka tarkoittaa piikkiä.

Spinifex-ruohon hedelmistö, Uusi-Seelanti. Kuva: Avenue, Wikimedia commons

Myös Itä- ja Pohjois-Suomen kallioperää muodostavat paikoin kivet, jotka ovat olleet alun perin komatiitteja. Kivien synnyn jälkeen niissä olevat oliviinit ovat kuitenkin miltei kokonaan muuttuneet mineraaliksi nimeltä serpentiini. Mikäli kivi ei  sen synnyn jälkeen muokkaannu kallioperän liikunnoissa, voivat alkuperäiset rakenteet säilyä kivessä siitä huolimatta, että mineraalisisältö muuttuu.

Spinifex-tekstuuria arkeeisessa komatiitissa Kuhmon vihreäkivivyöhykkeeltä. Mittakaavana oleva linssinsuojus on halkaisijaltaan n. 6 cm.

Näiltä kallioita voi nykyään tavata punakukkaisen kasvin nimeltä serpentiinipikkutervakko. Tämä kasvi on yksi harvoista kasvilajeista, jotka ovat sopeutuneet kasvamaan ultraemäksisten ja usein raskasmetallipitoisten kallioiden päällä. Tässä tapauksessa alla oleva kallio (tai tarkemmin kiveä muodostava mineraali) on antanut nimen sen päällä kasvavalle kasville! Serpentiinipikkutervakko on niin kutsuttu indikaattorikasvi, jota voidaan hyödyntää alla olevan kallioperän ja mahdollisten mineralisaatioiden kartoittamisessa. Tällaisia tiettyyn elinympäristöön sopeutuneita indikaattorikasveja on useita.

Ja mistä sitten komatiitti on saanut nimensä? Ensimmäinen komatiittinen laava kuvattiin Etelä-Afrikasta, Komati-joen kyljestä ja kivilaji sai nimensä löytöpaikan mukaan².

Viitteet ja kuvalinkki:

¹Arndt, N.T., Kerr. A.C., Tarney, J. 1997. Dynamic melting in plume heads: the formation of Gorgona komatiites and basalts. Earth and Planetary Science Letters 146; s. 289–301.

²Viljoen, M.J., Viljoen, R.P. 1969. The geology and geochemistry of the Lower Ultramafic Unit of the Omverwacht Group and a proposed new class of igneous rocks. In: Upper Mantle Project. Geological Society of South Africa, Special Publication 2, s. 55–85.

Spinifex-ruohon hedelmistö: Avenue, Spinifex (genus), Wikimedia commons

Kiitoksia Kirsi Larjamolle (Helsingin yliopiston geologian ja geokemian osasto) ohuthieen lainasta kuvan ottamista varten!

Päivitetty: 19.7.2022. Muutettu tekstissä kahdessa kohtaa spinifexiin viittaava rakenne-termi tekstuuriksi. Kyseessä on siis spinifex-tekstuuri (lue lisää Tieteen termipankista).

Tyynylaavaa! // Pillow lava!

Tänään aikamatkaamme lähes 3 000 miljoonan vuoden taakse ihailemaan Suomussalmen vihreäkivivyöhykkeeltä löytyvää tyynylaavaa. Tyynylaava on veden pinnan alapuolelle purkautunutta sulaa kiviainesta, jonka pintaosat jäähtyvät nopeasti veden vaikutuksesta ja laava muodostaa pallomaisia rakenteita. Vaikka tällä paikalla tulivuoritoiminta on loppunut tuhansia miljoonia vuosia sitten, on kivessä on edelleen hyvin näkyvissä tyynylaavalle ominainen pallomainen rakenne (1), tyynyjen jäähtymisreunukset (2) ja alkuperäisten kaasurakkuloiden käytävien jäännökset (3). Tekstin alla kuva tuoreesta tyynylaavasta Havaijilta, joissa näkyy hyvin laavan pallomainen rakenne. Suomussalmen tyynylaavat edustavat poikkileikkauksia tällaisista laavamuodostumista.

—

Today we travel almost 3 000 million years back in time with this picture. It is from the Suomussalmi greenstone belt and in it you can see a well-preserved basaltic pillow lava. Pillow lava represents lava that has erupted under water and due to chilling effect of the water the surface of the lava has cooled down very quickly resulting in pillow-shaped structures. Even though the volcanism in the Suomussalmi area ended thousands of millions of years ago you can still see the rounded shape of the pillows (1), chilled rims (2), and remnants of gas vesicles (3). Below this text is a picture from a fresh pillow lava from Hawaii, in which you can see the shape of the lava pillows. The pillow lava from Suomussalmi represent a cross-section of such structures.

Tyynylaavaa Havaijilta. // Pillow lava from Hawaii. Credit: OAR/National Undersea Research Program (NURP)

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.

Säihkyvää Uutta Vuotta! // Sparkling New Year!

Mittakaavan pituus 0,2 mm.

Ilotulitusta ohuthieessä! Nämä kuvat ovat peräisin noin 2,8 miljardia vuotta sitten muinaisesta tulivuoresta purkautuneesta laavakivestä Tipasjärveltä. Tämä kiviaines on kallioperämme nuoremmissa kehitysvaiheissa uudelleen muokkautunut ja osittain tästä syystä se näyttää erilaiselta kuin aikaisemmin julkaistu ohuthiekuva basaltista. Jos haluat nähdä miltä tämä kivi näyttää paljain silmin, niin kannattaa vierailla Luonnontieteellisessä museossa!

Fireworks in a thin section! These photographs are from a lava rock erupted ca. 2.8 billion years ago from an old volcano close to present Tipasjärvi, Finland. This rock has then been reworked in later thermal events of our bedrock and largely because of that it looks different from the previously published thin section photograph from a basalt (text in Finnish). If you want to see how this rock looks like outside of microscope, visit Natural History Museum!

Mittakaavan pituus 0,5 mm.