Kuvan tarjoaa Paul Mueller
Mitä ovat maapallon vanhimmat kivilajit ja miten ne ovat muodostuneet? Materiaali, joka tarjoaa suurimman näkemyksen näihin perustavanlaatuisiin kysymyksiin, koska se voi sisältää tietoja maapallon varhaisimmasta historiasta, on mineraali nimeltä zirkoni. Esimerkiksi Länsi-Australian hiekkakivestä 1990-luvun alussa löydetyt muutamat zirkonin rakeet ovat peräisin 4,2-4,3 miljardin vuoden takaa, ja meteoriittien perusteella tiedämme, että maapallo ei ole paljon vanhempi, 4,56 miljardia vuotta. Geologian professorit Darrell Henry Louisianan osavaltionyliopistosta ja Paul Mueller Floridan yliopistosta ovat asiantuntijoita useissa tekniikoissa, joiden avulla zirkonista voidaan saada tarkkaa tietoa iästä. He etsivät mannermaisen kuoren vanhimpia kiviä, niiden sisältämiä zirkoneita ja zirkonien sisältämiä vihjeitä planeetan muodostumisesta.
Alun perin magmasta kiteytymällä tai metamorfisissa kivilajeissa muodostuneet zirkonit ovat niin kestäviä ja kestävät kemiallisia hyökkäyksiä, että ne häviävät harvoin. Ne saattavat selvitä monista geologisista tapahtumista, jotka voidaan tallentaa ylimääräisten zirkonien renkaisiin, jotka kasvavat alkuperäisen kiteen ympärillä puiden renkaiden tavoin. Pienen aikakapselin tavoin zirkoni tallentaa nämä tapahtumat, joista jokainen voi kestää satoja miljoonia vuosia. Samaan aikaan itse zirkonin ydin pysyy muuttumattomana ja säilyttää sen kiven kemialliset ominaisuudet, johon se alun perin kiteytyi.
Zirkoni sisältää radioaktiivista alkuaine uraania, jota tohtori Mueller kutsuu ”kelloksi zirkonin sisällä”, koska se muuntuu lyijyksi tietyllä nopeudella pitkän ajan kuluessa. Muellerin mukaan tämä tekee zirkonista ”luotettavimman luonnollisen kronometrin, joka meillä on käytettävissämme, kun haluamme tarkastella maapallon historian varhaisinta osaa”. Hän jatkaa, että geologiassa on kaksi tapaa kertoa aikaa. ”Toinen on suhteellinen aika, eli jos on olemassa tietynlainen mineraali ja sen ympärillä kasvaa toisenlainen mineraali, tiedetään, että sisempi mineraali muodostui ensin, mutta ei tiedetä, kuinka paljon aikaa näiden kahden välillä kului.” Henry arvioi tällaisia mineraalisuhteita kivissä. Mineraalityypeistä ja niiden jakaumista kivissä hän rekonstruoi suhteellisen tapahtumaketjun, joka kuvastaa paineen, lämpötilan ja muodonmuutosten kaltaisten parametrien muuttumista ajan myötä. ”Jos minulla on metamorfinen kivi”, tohtori Henry tarkentaa, ”voin käyttää mineraalityyppejä ja niiden kemiaa määrittääkseni olosuhteet, jotka kivi on kokenut jossain vaiheessa historiaansa. Esimerkiksi 700 °C:n lämpötila ja korkea paine, joka on useita tuhansia kertoja suurempi kuin ilmakehän paine, viittaavat siihen, että kivi on ollut syvällä maankuoressa jossakin vaiheessa geologista historiaansa.” Hän päättelee, mitä kiville on tapahtunut, mutta ei sitä, kuinka kauan sitten se tapahtui. Tässä kohtaa tulee kyseeseen toisenlainen aika: absoluuttinen verrattuna suhteelliseen aikaan. ”Pyrimme toimittamaan milloin”, Mueller selittää. ”Minun tehtäväni on tarkastella kiven kemiaa, mukaan lukien sen isotoopit, ja yrittää johtaa absoluuttiset ajat tapahtumille, jotka on kirjattu kiveen ja sen zirkoneihin.”
Miten tarkkoja nuo todelliset luvut ovat? ”Riippuen kiven historiasta, voimme nykyään ajoittaa asioita muutamien sadasosien suuruusluokkaan sen iästä”, vastaa Mueller. Se tarkoittaa esimerkiksi plus tai miinus miljoona vuotta kolmesta miljardista. Hiili-14-dataus ei voi mennä noin 70 000 vuotta pidemmälle, koska hiili-14:n puoliintumisaika on vain 5 730 vuotta. (Puoliintumisaika on aika, joka kuluu siihen, että puolet alkuperäisestä radioaktiivisesta isotoopista muuttuu toiseksi alkuaineeksi.) Vertailun vuoksi radioaktiivisen uraani-238-isotoopin puoliintumisaika on 4,5 miljardia vuotta, mikä tekee siitä käyttökelpoisen erittäin vanhojen materiaalien ajoittamisessa.
Zirkonien kronologia alkaa kentällä. ”Menet ulos ja etsit suhteellisia ikäsuhteita, katsot, mikä kallioyksikkö on muodostunut ensin”, Henry sanoo. ”Voi olla esimerkiksi graniittia, joka sisältää graniitin sisään sulkeutuneita paloja muista kivilajeista. Niiden sijainnin perusteella tiedämme, että graniitin ympäröimien kivien on oltava vanhempia.” Geologit kartoittavat aluetta näiden suhteellisten ikäsuhteiden tunnistamiseksi. Sitten he keräävät näytteitä, jotka painavat kivilajista riippuen kahdesta yli sataan kiloon. Zirkonit eivät ole harvinaisia; itse asiassa ne ovat yleisiä graniittisissa kivissä. Ne ovat kuitenkin pieniä jyviä, jotka muodostavat vain pienen osan näytteestä, yleensä alle yhden prosentin kymmenesosan, ja ne ovat hajallaan koko kivessä. Tämän vuoksi zirkonien erottaminen on työläs prosessi. Kivi jauhetaan, jotta se voidaan pilkkoa yksittäisiksi mineraalirakeiksi. Sitten ”koska zirkoni on tiheämpi kuin lähes mikään muu mineraali, laitamme jauhetun kiven nesteeseen, jonka tiheys on erittäin suuri, jotta vain tiheimmät mineraalit putoavat pohjalle”, Henry selittää. Toisin sanoen, Mueller sanoo, ”zirkoni uppoaa. Käytämme myös zirkonien magneettisia ominaisuuksia erottaaksemme koskemattomimmat zirkonit muista.”
Silloin alkaa yksityiskohtainen geokronologinen työ. ”Otan murto-osan näistä zirkoneista, teen niistä ohuita leikkauksia – kolmekymmentä mikrometriä paksuja, suunnilleen hiuksen paksuisia mineraaliviipaleita, jotka kiinnitetään lasille – ja saan käsityksen siitä, miltä ne näyttävät vyöhykejakautumismallin kannalta, ovatko ne kokeneet useita kasvujaksoja, kuinka yksinkertaisia tai monimutkaisia ne ovat”, Henry sanoo. Hän välittää nämä tiedot Muellerille yhdessä näytteen geologisen kontekstin kanssa. ”Tarkastelen myös kiven ohutta poikkileikkausta saadakseni tietoa siitä kehyksestä, jossa zirkoni esiintyy. Onko se graniitissa? Vai onko se metamorfisessa kivessä, jolla on ollut monimutkaisempi historia? Vai onko se metamorfoitunut sedimenttikivi? Kun tiedämme sen historian, voimme tulkita kiven iän paljon paremmin.”
”Kiven suhteellisen geologisen historian ymmärtämiseksi Darrell käyttää ohutleikkauksia, koska hän on kiinnostunut kaikkien kiven muodostavien mineraalien välisistä suhteista”, Mueller selittää. ”Geokronologiassa olemme kuitenkin kiinnostuneita mineraaleista, jotka muodostavat yhden prosentin kymmenesosan tai vähemmän.” Hän tarkastelee zirkonia erilaisilla tekniikoilla – ”rakeista heijastuvalla valolla, niiden läpi kulkevalla valolla ja katodoluminesenssivalolla, joka syntyy, kun zirkoniaan osuu elektronisuihku” – määrittääkseen mittakaavan, jossa zirkonirakeita olisi analysoitava. Zirkonin alkuaineiden kvantitatiivinen mikroanalyysi tehdään elektronimikrosondilla. ”Näin voimme analysoida asioita mikronin (metrin miljoonasosan) mittakaavassa ohuen elektronisuihkun avulla”, Henry selittää. ”Elektronit säteilevät näytettä, jolloin näytteessä olevat atomit säteilevät röntgensäteilyä. Kukin näytteen eri alkuaineiden atomeista säteilee röntgensäteilyä, jolla on ominainen aallonpituus. Näitä voidaan sitten verrata standardiin, jossa on tunnettu alkuainepitoisuus, ja saada selville kyseisen pienen pisteen tarkka koostumus”. Yksittäinen zirkonijyvä voi koostua monista koostumukseltaan ja iältään erilaisista vyöhykkeistä. Isotooppikoostumukset voidaan määrittää ionisondilla. Haluammeko tarkastella koko jyvää vai pitäisikö meidän suunnata pieni, halkaisijaltaan 300 mikrometrin happi-ionisäde zirkonijyvän osiin analysoidaksemme U:n (uraanin) ja Pb:n (lyijyn) isotooppeja, jotta voimme ajoittaa tuon pisteen ajankohdan ja pilkkoa zirkonin yksittäisen historian?” Vaihtoehtoisesti uraani ja lyijy voidaan erottaa toisistaan kemiallisesti, kun yksittäinen zirkonijyvä liuotetaan fluorivetyhappoon. ”Sitten analysoimme ne massaspektrometrillä, joka antaa meille yksittäisten uraanin ja lyijyn isotooppien suhteet, ja siitä voimme laskea ajan”, Mueller selittää.
Loppujen lopuksi, sanoo Henry, ”kaikki nämä tiedot yhdistyvät suuremmaksi kuvaksi siitä, miten maapallo toimi miljardeja vuosia sitten”. Muellerin sanoin ”kyse on siitä, että mitä enemmän tiedämme siitä kivilajivalikoimasta, josta varhaisimmat mantereet muodostuivat, ja siitä, miten nämä mantereet kehittyivät, sitä paremmin voimme nähdä, miten maapallo muodostui ja mitkä olivat ne varhaiset prosessit, jotka erottivat maankuoren vaipasta ja luultavasti jopa vaipan ytimestä.” Mueller kuvailee hänen ja Henryn yhteistyötä rinnakkaiseksi matkaksi. ”Tutkimuksemme kulkee samaa tietä, ja joskus pidämme kädestä kiinni ja joskus kuljemme omia teitämme.” Kummassakin tapauksessa he vaihtavat jatkuvasti tietoja, joita heidän erilaiset lähestymistapansa tuottavat, ja aina on jotain uutta tutkittavaa. Mueller kiteyttää asian: ”Yksi kivi on paljon työtä.”