Kivilajeista ja kalium-argon menetelmästä

 

 

Hieman geologiaa

Muistin virkistämiseksi lienee syytä palauttaa mieleen joitakin geologisia perustietoja. Nykykäsityksen mukaan maapallon jähmeä ydin on lähes puhdasta rautaa. Tämän Kuun kokoisen massan lämpötila on n. 6000°C. Ulompi, nestemäinen ydinosa ulottuu maapallon säteen puoliväliin. Sen ulkopuolella on vaippa, joka muodostaa maapallon pääosan. Vaipan pääalkuaineita ovat pii, magnesium, rauta ja happi. Vaipan yläosa ja kuori muodostavan yhdessä Maan kiinteän kivikehän. Maan läpimittaan verrattuna kivikehä on ohut kuin munankuori.

Maan sisäinen lämpöenergia aiheuttaa vaipan osittain sulassa osassa (100 - 400 km syvyydessä) kierto- eli konvektiovirtauksia. Sula kiviaines eli magma kohoaa tietyissä kohdissa ja vajoaa toisaalla. Jatkuvaa kohoamista tapahtuu valtamerien keskiselänteiden kohdalla, minkä johdosta purkauskohdan sivulla olevat, vaipan päällä 'kelluvat' mannerlaatat työntyvät hitaasti poispäin. Tämä prosessi saa maankuoressa aikaan jännitteitä, murtumista, maanjäristyksiä, ja tulivuoren purkauksia. Mannerlaattojen törmäyskohtiin syntyy metamorfisia kerrostumia ja vuorijonoja.

Monenlaisten geologisten prosessien tuloksena maapallolla on suuri määrä eri kivilajeja. Ne voidaan kuitenkin syntytapansa perusteella jakaa kolmeen pääryhmään: sedimenttikiviin, magmakiviin ja metamorfisiin kiviin. Sedimentti- eli kerrostuneet kivilajit ovat kovettuneet erilaisista kerrostumista, kuten sorasta hiekasta, savesta ja kalkista. Näistä on aikojen kuluessa syntynyt konglomeraatteja, hiekkakiviä, savikiviä ja kalkkikiviä. Nämä kivilajit eivät yleensä ole radiometrisiin ajoituksiin sopivia.

 

Konglomeraatti, kivettynyttä soraa
                 
Kalkkikivi, kivettynyttä kalkkia
 
Toisen ryhmän muodostavat magmakivet, jotka ovat kiteytyneet maapallon sisuksista peräisin olevasta sulasta kiviaineksesta eli magmasta joko syvällä maankuoressa tai maanpinnalla tulivuoresta purkautuneesta laavasta. Edellisiä sanotaan syväkiviksi, jälkimmäisiä pinta- eli laavakiviksi. Syväkiviä ovat mm. graniitti ja gabro. Näitä kivilajeja pidetään radiometriseen ajoitukseen sopivina, koska niissä ei oletettavasti ole tapahtunut merkittäviä myöhempiä uudelleenmuotoutumisia.

 

Punainen graniitti. Väri johtuu mm.
kalimaasälvästä
                       
Peridotiitista vaaleat mineraalit
puuttuvat.
 

Graniitti ja muut syväkivet ovat nimensä mukaisesti kovettuneet eli kiteytyneet syvällä maakerrosten alla. Niinpä esim. Suomessa maan pinnalla sijaitsevat graniittikalliot selitetään maakerrosten kohoamisella ja eroosiolla. Geologisten prosessien johdosta graniittimuodostuma on kohonnut ylöspäin ja eroosion kuluttavat voimat ovat siirtäneet sen päällä olleet pehmeämmät kerrostumat pois.

Kolmas ryhmä kivilajeja ovat metamorfiset eli muuttuneet kivilajit. Ne ovat metamorfoituneet joko sedimentti- tai magmakivistä korkeassa lämpötilassa ja/tai paineessa tapahtuneessa udelleenkiteytymisessä. Tällöin graniitista syntyy graniittigneissiä, emäksisistä kivistä amfiboliittia tai vihreäkiveä, hiekkakivestä kvartsiittia, savikivestä kiilleliusketta jne.

 

Gneissi on metamorfoitunutta
magma- tai sedimenttikiveä.
                       
Kvartsiittia syntyy hiekkakivestä.
 

Maankuori on jatkuvien muutosten alainen. Se rapautuu, kuluu ja halkeilee. Maan sisuksissa oleva magma työntyy syntyneisiin rakoihin ja halkeamiin. Magma voi sisältää metalleja tai huuhtoa niitä ympäröivistä kivilajeista, ja muodostaa jähmettyessään kallionkolohin metalleja tai muita mineraaleja sisältäviä juosteita (malmisuonia). Hyvin ahtaaseen rakoon työntynyt magma voi synnyttää timanttien muodostumiseen tarvittavan kuumuuden ja paineen. Magma voi työntyä myös olemassaoleviin sedimentti-, magma- tai metamorfisiin kerrostumiin saaden niissä aikaan uudelleenmuotoutumista. Mannerlaattojen reuna-alueilla, erilaisten kerrostumien limittyessä toisiinsa, tapahtuu myös hyvin monenlaisten maa-ainesten sekoittumista.

Jotta ajanmääritys olisi luotettava, tutkittavan alueen geologinen historia olisi tarkoin tunnettava. Koska emme voi matkustaa ajassa taaksepäin, tämä historia on pakostakin arviointien varassa. Ne voivat olla puutteellisia tai suorastaan vääriä. Radiometristen ajoitustulosten oikein tulkitseminen edellyttäisi varmaa tietoa tutkittavien näytteiden muodostumistavasta. Tässä tiedossa on vielä koko joukko epävarmuustekijöitä, kuten voi päätellä seuraavasta lainauksesta:

"Kivilajeja muodostavien magmojen koostumus ja syntytapa ovat olleet vilkkaan väittelyn kohteena. Emäksisten kivilajien katsotaan yleisesti syntyneen yhteisestä primäärimagmasta, jonka koostumus on basalttinen ja joka kiteytyy runsaasti kalsiumplagioklaasia ja tummia mineraaleja, kuten pyrokseenia ja oliviinia, sisältäviksi kivilajeiksi. Kysymyksen ollessa happamista kivilajeista, kuten graniitista, ovat mielipiteet ristiriitaisempia. Kiistelyn kohteena on lähinnä kysymys muodostuvatko graniitit magmasta jähmettymällä vai siten, että tietyt sedimenttikivilajit, kuten hiekkakivet ja liuskeet, graniittiutuvat. Tällä tarkoitetaan kivilajin metamorfoitumista graniitiksi. Todennäköisesti molempia prosesseja esiintyy. Graniittiutumisen ajatellaan tapahtuvan hyvin syvällä, 20 km:n syvyydessä tai vieläkin syvemmällä. Se tapahtuu metasomaattisesti siten, että kallioperässä kiertävä sula kiviaines muuttaa kivilajin koostumusta ja lopputuloksena on graniitti. Prosessi voi jatkua vielä siten, että graniittimagmaa syntyy ultrametamorfisissa olosuhteissa, kun magma-, sedimentti- tai metamorfiset kivilajit sulavat ja sekoittuvat." (Fokus Tekniikka 2)

Prosessit voivat siis olla hyvin monimutkaisia, ja vasta kaikkien yksityiskohtien tietäminen ja huomioon ottaminen voi mahdollistaa radiometristen kellojen säätämisen näyttämään todellista aikaa.

Miksi kalium-argon-menetelmä on epätarkka?

Koska K-Ar -ajoitusmenetelmä on yksi käytetyimmistä tekniikoista, on paikallaan tarkastella sitä hieman lähemmin. Maankuori sisältää kaliumia noin 2.5 prosenttia. Kuten aiemmin todettiin, tästä noin yksi kymmenestuhannesosa on radioaktiivista K40 -isotooppia, jonka puoliintumisaika on 1.3 miljardia vuotta. Itse asiassa vain 1/8 osa K40:stä hajoaa argoniksi, loppuosa hajoaa kalsiumiksi. Siten kaliumin määrä puoliintumisten (n) jälkeen on (1/2)^n alkuperäisestä. Noin 7/8 siitä on hajonnut kalsiumiksi ja 1/8 argon-40:ksi. Tämä kalium-argon -suhde on kuitenkin vain keskimääräinen, eikä sinänsä kerro paljoakaan kallioiden iästä.

Suodattuminen ja kulkeutuminen

Ei liene mitään syytä, miksi kallioperustassa ei voisi olla suurten lisäksi myös pieniä rakoja ja hiushalkeamia, jotka mahdollistaisivat veden ja kaasun kiertokulun. Prosessit olisivat tietysti verraten hitaita, mutta toisaalta pienetkin muutokset alkuaineiden suhteissa vaikuttavat huomattavasti ajanmäärityksiin.

Argonia syntyy jatkuvasti maankuoressa ja magmassa. Magman kohotessa kohti pintaa, se samalla keinotekoisesti nostaa ympäristönsä argon-pitoisuutta. Jotkut kalliot eivät (rakenteellisista syistä johtuen) pysty pitämään argonia sisällään vaan vapauttavat sen kallioiden välissä oleviin onkaloihin. Osa kaasusta haihtuu muulla tavoin. Argonia vapautuu laavasta, kunnes se on jäähtynyt, ja mahdollisesti sitä suodattuu pintaan myös syvemmältä magmasta heliumin ja muiden radioaktiivisten hajoamistuotteiden mukana.

Argonia siis suodattuu vähitellen maankuoresta ilmakehään. Mutta tiedämme myös kallioiden imevän sitä itseensä, koska K-Ar -menetelmässä joudutaan käyttämään korjauskertoimia. Argon voi näin ollen välillisesti kulkeutua kalliosta toiseen. Syvemmissä kerroksissa pitoisuudet saattavat olla suurempia siellä valitsevan suuremman paineen johdosta, joten sieltä peräisin olevat näytteet antavat mittauksissa korkeampia ikälukemia.

Argonin imeytymiskykyä tutkittiin eräässä laboratoriokokeessa, jossa synteettistä basalttia mineraaleineen kuumennettiin normaalissa ilmanpaineessa lähes 13 000 C-asteeseen argonia sisältävällä kaasuliekillä. Jäähtymisen jälkeen tutkijat mittasivat materiaalin argon-pitoisuuden ja totesivat argonin liukoisuuden olevan "yllättävän korkea". Imeytyneen argonin määrä oli niin suuri, että vastaavan pitoisuuden omaava kivinäyte määritettäisiin mittauksissa hyvinkin yli 500 miljoonan vuoden ikäiseksi.

Magma argonin lähteenä

Magma voi sisältää valtavan määrän argonia. Purkautuva laavavirta jäähtyy levittäytyessään maan pinnalle. Sen sisältämä argon voi joko jäädä siihen, poistua osaksi ilmaan tai imeytyä ympäröiviin kallioihin riippuen jäähtymisnopeudesta ym. Jos magman sisältämä argon on -kuten oletetaan - peräisin 4 mrd vuoden takaa, pitäisi kalium-40:tä olla 1/8 sen määrästä. 570 miljoonan vuoden ikäisiin kallioihin suhteutettuna määrä olisi n. 1/24. Magmassa pitäisi siten olla vähintään 20 kertaa niin paljon argonia kuin 570 mrd vuoden ikäisiksi ajoitetuissa kallioissa. Itse asiassa magman argon-pitoisuus voisi olla korkeampikin, koska se saattaa konsentroitua lähellä pintaa. Jos näin olisi, se riittäisi K-Ar -ajoituksissa nostamaan kallioiden nykyiset iät vähintään 20 -kertaisiksi ja jopa 200 -kertaisiksi, jos lähdettäisiin 57 miljoonan vuoden ikäisiksi arvioiduista kallioista. Tässä on siten valtava potentiaalinen tekijä nostamaan kallioiden radiometristä ikää. Kallioiden argon-pitoisuuden nousu tapahtuu kuitenkin vähitellen erilaisten luonnollisten tapahtumien seurauksena. Yleensä vanhimmissa kallioissa olisi kuitenkin enemmän argonia, koska sen syntymiselle sekä ympäristöstä imeytymiselle olisi ollut enemmän aikaa. Niistä saatu radiometrinen ikä ei kuitenkaan välttämättä ole suhteessa niiden todelliseen ikään.

Voidaan myös miettiä, mikä vaikutus on sillä, että useimmat vulkaaniset purkaukset ja maanjäristykset tapahtuvat mannerlaattojen reuna-alueilla. Jatkuvasti toistuvat laavapurkaukset nostavat vähitellen näiden alueiden argon-pitoisuutta saaden ne näyttämään yhä vanhemmilta. Lisäksi maanjäristykset itsessään saattavat aiheuttaa argonin vapautumista magmasta ympäristöön.

Maankuoren mullistukset

On monia muitakin mekanismeja, jotka saavat maankuoressa aikaan mekaanisia, fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia samalla vapauttaen tai siirtäen argonia. Ne kaikki pitäisi tapauskohtaiseti tietää ja huomioida ikämäärityksissä, muuten ikä-arviot ovat virheellisiä. Myös ilmakehästä imeytyy jatkuvasti argonia kallioihin. Hyvin mitätönkin (alle miljoonasosa) vuosittainen lisäys muutaman tuhannen vuoden ajan riittää, jotta kalliot näyttävät yli 500 miljoonaa vuotta vanhoilta. Siihen ei tarvita edes kovin suuria mullistuksia. Monin paikoin kalliot muovautuvat uudelleen paineen vaikutuksesta, syntyy uusia murtumia ja halkeamia ja vanhempia kerroksia nousee pintaan tarjoten näin monia tilaisuuksia myös argonin ja muiden kaasujen vapautumiselle ja siirtymiselle.

Edellä mainittujen lisäksi on vielä yksi huomattava tekijä, joka voi olla syynä kallioiden suhteellisen suuriin argon-pitoisuuksiin, nimittäin äskettäin tapahtunut maailmanlaajuinen katastrofi, joka olisi saanut mannerlaatat liikkumaan sekä aiheuttanut valtavasti maanjäristyksiä ja vulkaanista toimintaa. Tällöin myös argonia olisi vapautunut valtavia määriä.

Yleensä ottaen argonia on monin paikoin aivan liikaa ollakseen K40:n hajoamistuote. Tämä pätee jopa, jos oletetaan maapallon olevan 4.5 mrd vuoden ikäinen. Ilmakehässä sitä on erään asiantuntijan mukaan on jopa 100 -kertainen määrä siihen nähden, mitä radioaktiivinen hajoaminen olisi tuottanut 4.5 miljardissa vuodessa. Tuskin sitä on tulvinut avaruudesta, joten sen on täytynyt olla olemassa alusta asti. Koska geokronologit olettavat ajanmäärityksen virheiden johtuvan pääasiassa alkuperäisen argonin vähäisestä määrästä, heidän tuloksensa ovat hyvin kyseenalaisia.

Sekoittuminen mineraaleihin

Argon siirtyy helposti mineraalista toiseen, ja saattaa kerääntyä epänormaaliksi pitoisuuksiksi alueilla, joista näytteitä otetaan. Tämä tietenkin vääristää tuloksia, ja saa kohteet näyttämään todellista vanhemmilta. Jotkut tutkijat uskovat, että argon leviää ja sekoittuu mineraaleihin kiihtyvästi ajan kuluessa. Myös kalium on helposti kulkeutuvaa. Jopa 80 % rautameteoriitista otetun näytteen kaliumista on poistettu pelkällä juoksevalla tislatulla vedellä 4½ tunnissa. Pohjaveden ja eroosiovesien virtaukset voivat tehdä saman luonnollisella tavalla.

Joidenkin kallioiden geologisessa historiassa on ollut monia suuria muutoksia, jotka ovat voineet saada aikaan keskinäistä saastumista kalium-pitoisista mineraaleista. Lisäksi, kuten jo aiemmin mainittiin, K40:n puoliintumisajan määrittämisessä on eräitä vaikeuksia, minkä vuoksi siihen on liitetty ns. haarautumisvakio (branching ratio), jota kuitenkin säädetään tarvittaessa.

Imeytyminen ilmakehästä ym.

Koko joukko lähimpien, muutaman sadan vuoden aikana tapahtuneiden laavapurkautumien K-Ar - ajanmäärityksistä on antanut tulokseksi satoja tuhansia, jopa miljoonia vuosia. Tämä viittaa selvästi ylimääräisen argonin läsnäoloon. Mistä se on peräisin? Ja mistä tiedämme, ettei ilmiö ole yleinen laajemminkin? Jos ylimääräistä argonia esiintyy, saadaan liian vanhoja ikälukemia.

Koska argonin puoliintumisaika on 1.3 mrd vuotta, on totta, että muutaman sadan tuhannen vuoden ero ajanmäärityksessä on liian pieni huomioitavaksi K-Ar -menetelmässä. Mutta geologit tavallisesti vetoavat ylimääräiseen argoniin selittääkseen, miksi ajoitus näyttää liian vanhaa ikää, joten tässä ei ole mitään uutta. Toiseksi, menneisyydessä magmassa on saattanut olla paljon enemmän argonia, joka on sitten vähentynyt jokaisen purkauksen yhteydessä ja siirtynyt pintakerroksiin, saaden ne näyttämään vanhemmilta.

On olemassa lukuisia mainintoja ajoitettujen kallioiden mahdollisesta saastumisesta ilmakehän sisältämästä argonista, joten on selvää, että argon imeytyy helposti kallioperustaan. Näytteen kuumennusspektristä väitetään voitavan todeta, onko argon myöhemmin lisääntynyt näytteessä; erilaiset lämpötilat antavat erilaisia argon-arvoja. Väitetään myös, että muualta tullut argon on vähemmän tiukasti sitoutunut kiderakenteeseen ja irtoaa kalliosta alemmassa lämpötilassa. Mutta mistä tiedämme, mitä tapahtuu vuosituhansien kuluessa? Saattaisi olla niinkin, että alunperin löyhästi sitoutunut argon kiinnittyy ajan myötä yhä tiukemmin satunnaisten lämmpövaihtelujen johdosta kunnes sitä ei enää lainkaan todeta spektritekniikalla. Saman asian voi saada aikaan myös se, että kalliokerrostumat ovat usein kovan paineen alaisina.

Virheiden vaikutus havaintoihin.

On siis olemassa koko joukko virhelähteitä, jotka saattavat selittää monet ajoitusten havainnot. Radiometristen menetelmien antamat ajat ovat yleensä miljoonia vuosia. Ellei kuitenkaan menetelmien 'kelloja' ole asetettu näyttämään oikeaa aikaa, on selvää, että nämä ajat ovat virheellisiä. Esim. Rb-Sr -ajoituksessa virhe voi syntyä siitä, että vastoin oletuksia magmassa voi olla suuri määrä ympäristöstä perittyjä hajoamistuotteita. Arviot alkuaineiden ja hajoamistuotteiden alkuperäisestä suhteestakin voivat olla virheellisiä. Radioaktiivinen hajoaminen voi olla paljon nopeampaa tähtien sisuksissa, missä raskaiden alkuaineiden uskotaan syntyvän. Siellä suuren kuumuuden ja paineen alaisina törmäilevät ydinhiukkaset voivat tulla epävakaiksi ja herkemmin hajoaviksi. Lisäksi maapallolla on joitakin alkuaineita liian runsaasti, jotta niiden määrä voitaisiin selittää edes 4.5 mrd vuotta kestäneellä radioaktiivisella hajoamisprosessilla. Tällaisia ovat ainakin kalsium, argon ja ehkä strontium. Joitakin (kuten helium) on taas liian vähän. Maapallon 4.5 mrd vuoden ikä ei siis ole itsestään selvä, edes olettaen että hajoamisnopeus on ollut vakio.

Alemmat kerrostumat ja K-Ar -ajoitus

Yleensä kalium-argon -ajat näyttävät olevan sitä vanhempia, mitä syvemmälle maankuoressa mennään. On joukko mekanismeja, jotka voivat olla 'syyllisiä' tähän ilmiöön. Tulivuoren purkauksissa vapautuu huomattava määrä kaasuja laavan mukana. Kiistatta tämä kaasu sisältää myös merkittäviä määriä argon-40:tä. Tulivuorilla on tavallisesti allaan magmakammioita, joista purkautuminen tapahtuu. On hyvin todennäköistä, että kaasu kokoontuisi näiden kammioiden yläosiin saaden aikaan keinotekoisen korkean argon-pitoisuuden ja vastaavasti korkean radiometrisen iän purkautuvalle magmalle. Jokaisen purkauksen yhteydessä kaasua kuitenkin karkaa, eli magman argon-pitoisuus vähenee. Lopputuksena on, että aikaisemmin purkautuneet alemmat laavakerrokset voivat näyttää paljonkin vanhemmilta kuin myöhemmin purkautuneet ylemmät kerrokset. Toisaalta myöhemmin purkautuva laava tulee todennäköisesti syvemmältä ollen siten kuumempaa, minkä johdosta se jäähtyyy hitaammin antaen argonille enemmän aikaa poistua siitä.

Kuten aiemmin mainittiin, mineraalit kykenevät absorboimaan argonia ilmasta ja muusta ympäristöstä. Syvällä maan sisuksissa argon-isotooppien suhde voi olla toinen kuin ilmakehässä, jossa Ar40:n osuus on suhteellisen pieni. Kun kalliot imevät itseensä Ar40:tä niiden radiometriset iät nousevat. Tämä vaikutus voi olla suurempi syvemmällä missä paine on korkeampi. Tällaista korkeapaineen alaisen argonin levittäytymistä on saattanut tapahtua myös menneisyydessä. Joka tapauksessa se saisi syvemmällä olevat kalliot näyttämään vanhemmilta.

Äskettäin tapahtuneiden laavapurkautumien K-Ar -iäksi on usein saatu noin 200 000 vuotta, mikä osoittaa, että ne sisältävät ylimääräistä argonia ja ettei haihtumista ole tapahtunut juuri lainkaan. Jos ylimääräistä argonia olisi vaikkapa satakertaisesti, K-Ar -menetelmä antaisi laavan iäksi jo kymmeniä miljoonia vuosia. Nopea jäähtyminen voisi nostaa pitoisuutta entisestään. On myös todettu jopa 50 miljoonan vuoden ikäiseksi ajoitetun kallion pystyvän vielä absorboimaan argonia ilmasta. Vielä suuremmalla todennäköisyydellä argon voi imeytyä maan maan sisuksissa, ja saada helposti kalliot tai purkautuneen laavan näyttämään hyvin vanhoilta.

Maailmanlaajuinen tulvakatastrofi voisi myös vaikuttaa kalium-argon suhteisiin. Siihen voidaan olettaa liittyvän hyvin aktiivista vulkaanista toimintaa minkä johdosta vedet rikastuisivat Ar40:tä. Vedenalainen laava vaikuttaisi tuolloin vanhemmalta, koska nopea jäähtyminen estäisi argonia karkaamasta. Ajan myötä argonia poistuisi siitä ensin veteen ja sitten ilmakehään, jolloin laava näyttäisi vähitellen yhä nuoremmalta. Ilmakehän argon-pitoisuus sen sijaan vähitellen nousisi ja tihentymä olisi suurin lähellä maan pintaa. Tämä voisi myötävaikuttaa siihen, että maanpäällinen laava näyttää vanhemmalta kuin on.

 
Edellinen     Seuraava
Edellinen osa     Seuraava osa


14.08.04