Professoriluento | Esa Heilimo

Aktualismi tai uniformitarianismi on tieteellinen periaate, jonka mukaan luonto ja sen lait ovat olleet menneisyydessä samanlaisia kuin ne tällä hetkellä voidaan havaita. Tämä periaate tiivistetään usein lauseeseen: 'Nykyisyys on avain menneisyyteen.' Klassisen geologian periaatteita luodessa 1800-luvulla aktualismi oli merkittävässä roolissa. Geologian osa-alueista kallioperägeologia pyrkii selvittämään vanhan kallioperän syntyä, kehitystä ja siinä olevien raaka-aineiden, kuten metallisten malmien, syntyprosesseja.

Maapallon kallioperä koostuu kahdesta erilaisesta kuorityypistä: merellisestä kuoresta, joka on painavampaa ja ohuempaa, noin 6-7 km paksua, sekä mantereisesta kuoresta, joka on kevyempää ja paksumpaa, noin 30-40 km paksua. Nykykäsityksen mukaan maapallon mantereinen kuori on syntynyt ja muovautunut pääasiassa laattatektonisten prosessien kautta.

Merellinen kuori syntyy valtamerten keskiselänteillä, kuten Atlantin keskiselänteellä, jossa maan vaipasta nouseva magma kohoaa, kiteytyy ja työntää jo olemassa olevaa merellistä kuorta molempiin suuntiin. Valtamerten keskiselänteiden vastakohtana ovat subduktiovyöhykkeet. Näillä vyöhykkeillä merellinen kuori painuu takaisin vaippaan. Tämä voi tapahtua nuorissa saarikaarten vyöhykkeissä, kuten Japanin saarilla, tai vanhemmissa mantereisissa kaarissa, kuten Etelä-Amerikan länsirannikolla. Subduktiovyöhykkeillä merellinen kuori ja sen päällä olevat sedimentit kuljettavat mukanaan vettä työntyessään vaippaan. Pienikin määrä vettä alentaa vaipan sulamispistettä, minkä vuoksi näissä ympäristöissä syntyy magmaa, joka nousee ylöspäin ja muodostaa uutta, kevyempää ja paksumpaa mantereista kuorta. Kun tämä magma kiteytyy syvällä, siitä syntyy syväkiviä, ja pinnalle noustessaan se muodostaa vulkaanisia kiviä.

Maapallolla on pluumeja, jotka havaitaan selkeimmin saarijonoina valtamerissä, joista tunnetuin on Havaijin saariketju. Pluumit ovat syvältä vaipasta nousevia magmamassoja, jotka kohoavat hitaasti ylöspäin. Joidenkin teorioiden mukaan nämä magmamassat nousevat jopa maapallon vaipan ja ytimen rajapinnalta. Pluumien vaikutuksesta voi joskus syntyä paksuja mantereisia ylänköjä, joita voidaan kutsua jopa mantereiseksi kuoreksi. Tällaisia ylänköjä löytyy esimerkiksi Intiasta, Deccanin alueelta, ja Afrikasta, Karoon alueelta. Vaikka pluumit tuottavat vain pieniä määriä uutta mantereista kuorta, se voi olla merkittävää kuoren muodostumisen kannalta.

Maapallon arvioidaan olevan noin 4,6 miljardia vuotta vanha. Sen varhaisimmalta ajanjaksolta ei ole säilynyt juurikaan kiviä, minkä vuoksi tätä Haadeista aikaa on vaikea tutkia. Seuraavaa ajanjaksoa kutsutaan arkeeiseksi ajaksi, ja se ulottuu 4 miljardista vuodesta 2,5 miljardiin vuoteen. Arkeeisen aikana maapallon vaippa oli huomattavasti kuumempi, johtuen vaipan radioaktiivisesta lämmöntuotannosta sekä meteoriittien törmäyksistä vapautuneesta energiasta. Maapallolla oli tänä aikana ilmakehä, mutta se oli nykyistä ohuempi ja koostumukseltaan vähähappisempi.

Aktualismin periaatteen pohjalta voidaan kysyä, onko Arkeeisen ajan kuumemmassa maapallossa toiminut laattatektoniikkaa, ja jos on, onko se ollut nykyisen kaltainen? Vai onko jokin muu prosessi luonut maapallon ensimmäisen mantereisen kuoren Arkeeisella ajalla?

Yksi tapa tutkia Arkeeista aikaa ja sen kiviä on verrata niitä nuorempiin kiviin, jolloin havaitaan merkittäviä eroja. Arkeeisen ajan syväkivet ovat pääasiassa Na-rikkaita TTG-sarjan syväkiviä ja gneissejä, kun taas nuoremmat syväkivet ovat kaliumista rikkaampia graniittisia syväkiviä. Lisäksi Arkeeisen ajan vulkaanisissa kivissä esiintyy poikkeuksellisen paljon komatiitteja, jotka syntyvät kuumien vaipan pluumien vaikutuksesta. Nykyään komatiitteja ei enää muodostu maapallolla. Komatiiteissa on myös taloudellisesti hyödynnettäviä määriä nikkeliä. Arkeeisella ajalla syntyi myös meren pohjaan hapen vaikutuksesta saostuneita rautamuodostumia, joita voidaan louhia raudan lähteenä. Säilyneen aineiston perusteella voidaan todeta, että varhainen maapallo oli monin tavoin erilainen kuin nykyinen.

Laattatektoniikka geologisena teoriana, kaikkine vaikutuksineen, saavutti laajan hyväksynnän 1960- ja 1970-luvuilla. Sen jälkeen kallioperägeologiassa on käyty keskustelua: milloin laattatektoniikka alkoi? Ja milloin ensimmäiset mantereet syntyivät? Ratkaisuja näihin kysymyksiin voidaan etsiä tutkimalla varhaista maapalloa ja sen kuoren muodostumista. Tämä alan tutkimus voidaan jakaa kolmeen päämenetelmään.

Ensimmäinen ja vanhin menetelmä on perinteinen kallioperägeologian tutkimusmenetelmä, kenttätyö. Kenttätyössä tunnistetaan ja tutkitaan mineraaleja, kivilajeja, tekstuureja ja rakenteita luonnossa. Vähitellen, suuren työmäärän jälkeen, aineistosta muodostuu kuva tutkimuskohteen geologisesta kehityksestä. Tämä menetelmä on aikaa vievää ja perusteellista, ja sen avulla saadaan tarkka kuva yhdestä tutkimuskohteesta. Eri kohteiden vertaaminen ja niiden geologisen historian yhdistäminen voi kuitenkin aiheuttaa haasteita ja runsasta keskustelua.

Toinen menetelmä on varhaisen maapallon koostumuksen tutkiminen. Tätä menetelmää kutsutaan geokemiaksi, ja siinä tutkitaan kivien ja mineraalien koostumusta, mikä kertoo niiden synnystä ja historiasta. Yksi geokemian osa-alue on isotooppigeologia, jossa tutkitaan atomiytimien radioaktiivista hajoamista luonnossa. Isotooppigeologian avulla voidaan selvittää kivien ja mineraalien ikää sekä niiden lähteitä. Oma tutkimusryhmäni käyttää kumpaakin jo mainittua menetelmää: kenttätyötä ja geokemiaa.

Kolmas menetelmä on mallintaminen. Laattatektonisia prosesseja voidaan mallintaa luonnosta saatujen parametrien perusteella. Tällöin luodaan numeerisia malleja kuoren muodostumisesta ja tektoniikan toiminnasta. Tämä menetelmä vaatii suurta laskentakapasiteettia sekä luotettavia arvioita varhaisen maapallon lämpötiloista ja kuoren fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista.

Esitettyjä teorioita arkeeisen ajan kuoren muodostumisesta on useita, ja ne voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin.

Ensimmäinen teoria perustuu aktualismiin. Sen mukaan arkeeisella ajalla, nykyisen kaltaisessa subduktioympäristössä, syntyivät tyypilliset Na-rikkaat TTG-kivet. Kuitenkin numeeristen mallien mukaan tämä teoria on kyseenalainen, koska varhaisen maapallon kuuma vaippa esti merellisen kuoren painumisen loivassa subduktiossa. Jos subduktiota on otapahtunut, se on tapahtunut jyrkässä kulmassa merellisen kuoren painuessa lähes pystysuoraan alas.

Toinen teoria sisältää laattatektoniikan kaltaisen liikkeen. Tässä mallissa valtamerten keskiselänteillä syntyi paljon uutta merellistä kuorta. Tämä merellinen kuori ei kuitenkaan pystynyt subduktoitumaan, vaan kuoren osat törmätessään kasaantuivat päällekkäin muodostaen paksuja kerroksia. Nämä paksut kerrostumat sulivat osittain alaosastaan ja tuottivat magmaa, josta syntyivät arkeeisen ajan ensimmäiset mantereisen kuoren kappaleet.

Kolmas teoria on aktualismin periaatteiden vastainen ja tunnetaan usein nimellä pluumi-teoria. Sen mukaan maapallon kuoren laatat eivät liikkuneet horisontaalisesti varhaisella maapallolla. Ensimmäiset mantereet olisivat syntyneet voimakkaiden vaipasta nousevien pluumien vaikutuksesta. Tätä teoriaa tukee pluumeista peräisin olevien komatiittilaavojen suuri määrä arkeeisella ajalla. Pluumit olisivat luoneet suuria merellisiä ylänköjä, joiden alaosassa tapahtunut osittainen sulaminen olisi synnyttänyt Na-rikkaita TTG-kiviä. Tähän teoriaan liitetään myös pystysuuntaisialiikkeitä maankuoren ja vaipan välillä. Tämän ns. ”dome and keel” nimisen rakenteen kuvasi ensimmäisenä kuuluisa suomalainen geologi Pentti Eskola vuonna 1949, Kuopion kaupungin mäkisissä maanmuodoissa ja kivilajeissa.

Arkeeisen geologian tieteellisen kehityksen seuraaminen osoittaa, että samat tutkijat ja tutkimusryhmät voivat uransa aikana siirtyä kannattamaan eri teorioita. Tämä kertoo siitä, että emme vieläkään tiedä kaikkea varhaisen maapallon kuoren ja mantereiden synnystä. Menetelmistä geokemia on tällä hetkellä nopeimmin kehittyvä. Nykyteknologian avulla voidaan analysoida alle 50 mikrometrin kokoisia mineraaleja, joita käytetään esimerkiksi kivien iän tutkimuksessa. Kun analyysimenetelmien resoluutio paranee, pystytään tutkimaan myös näiden mineraalien sisällä olevia sulkeumia, jotka kertovat tarkkaa tietoa pienten mineraalien alkuperästä. Näiden modernien menetelmien avulla saatu aineisto auttaa meitä ymmärtämään kallioperän, mantereiden ja niitä muokanneiden prosessien kehitystä entistä tarkemmin tulevaisuudessa.