Tiedeblogi: Tarunhohtoinen Tuntsa

Geologia

Tuntsan alue (kuva 1) on luoteisin osa arkeeista Belomoridien provinssia, jolle ovat tunnusomaisia esimerkiksi eklogiitit, joiden metamorfoosi tapahtui korkeissa, 15–20 kilobaarin paineissa. Eklogiitit ovat hyvin harvinaisia näin vanhassa kallioperässä, eikä niitä tavata Fennoskandian alueelta muualla. Venäjältä on löydetty eklogiittejä Vienanmeren rannikolta ja sen lähiympäristöstä, ja paljon on keskusteltu siitä, onko eklogiittifasieksen metamorfoosi arkeeista vai paleoproterotsooista, vaiko molempia (Mints & Dokukina 2020). Valitettavasti ainakaan toistaiseksi ei Suomen puolelta rajaa ole eklogiittejä löydetty. Koska nuorempien geologisten ajanjaksojen eklogiitit liittyvät yleensä subduktioprosesseihin, ne ovat erittäin mielenkiintoisia myös prekambrikauden laattatektoniikan kannalta.

Tuntsan alueen pohjois- ja eteläpuoli ovat muodostuneet neoarkeeisista, 2,7–2,8 miljardin vuoden (Ga) ikäisistä granitoidigneisseistä. Niiden välissä on polymetamorfinen Tuntsan sviitti, joka koostuu pääasiassa paragneisseistä eli sedimenttisyntyisistä gneisseistä. Tuntsan sviitti kuuluu pitkään metasedimenttivyöhykkeeseen, joka ulottuu Tuntsasta satoja kilometrejä kaakkoon.

Alueen metamorfinen kehitys on ollut monivaiheinen. Metasedimenteissä on usein keski- tai karkearakeisia stauroliitti-, kyaniitti- ja granaattipitoisia mineraaliseurueita, joita on myös paleoproterotsooisissa kivissä Tuntsan sviitin länsipuolella. Siksi ensimmäinen mieleen tuleva kysymys on, oliko alueen metamorfoosi proterotsooinen vai arkeeinen. Sviitille on ominaista voimakas loiva läpikotainen liuskeisuus, joka usein hävittää varhaisemmat rakenteet ja aikaisemman migmatiittiutumisen. Stauroliitin runsas määrä on ongelmallinen kivissä, joissa on migmaattisia rakenteita ja jotka siis näyttävät osittain sulaneilta. Useimmissa kokokivikoostumuksissa stauroliitti voi esiintyä vain sulamislämpötiloja alhaisemmissa lämpötila- ja paineolosuhteissa. Stauroliittia sisältävissä kivissä ei pitäisi sen vuoksi näkyä osittaisen sulamisen merkkejä, ellei stauroliitti ole sitten kiteytynyt jäähtymisen aikana mihin suuret, omamuotoiset kiteet eivät viittaa.

Iänmääritykset

Tuntsan metasedimenttien ajallisen kehityksen selvittämiseksi ajoitettiin ensiksi yhdestä paragneissinäytteestä separoituja zirkoneita. Zirkonien odotettiin olevan ainakin osittain detritaalisia, jolloin sedimenttikerrostuman on täytynyt olla nuorempi kuin nuorimmat zirkonikiteet. Zirkonit ajoitettiin Tukholman Nordsim-laboratorion ionimikroanalysaattorilla ja GTK:n Espoon toimipisteen laserablaatiomassaspektrometrillä (LA-ICP-MS). Nordsimillä tehdyissä analyyseissä oli kaksi ikäryhmää: vanhemmat zirkonit olivat iältään 2,77–2,84 Ga ja nuoremmat 2,65–2,70 Ga. LA-ICP-MS-analyysit osoittavat melkein jatkuvaa ikäjakaumaa välillä 2,75–2,55 Ga, useimpien zirkonien ollessa nuorempia kuin 2,70 Ga.

Tämä voidaan tulkita ainakin kahdella tavalla. 2,65–2,70 miljardin vuoden ikäisten zirkonien runsaus saattaa viitata siihen, että Tuntsan sviitin sedimentaatio oli tätä nuorempi. Monilla tämän ikäisillä zirkonikiteillä Th/U-suhde on kuitenkin alhainen, mikä on tyypillistä metamorfisille zirkoneille. Tuona aikana voimakasta metamorfoosia ja sulamista tapahtui kaikkialla nykyisen Fennoskandian kilven alueella. Siksi on todennäköistä, että 2,65–2,70 Ga zirkonikiteet ovat pikemminkin metamorfisia kuin detritaalisia. Määritimme myös paragneissin ympäröimän, magmaattista alkuperää olevan trondhjemiittigneissin zirkonien ikiä. Näissä oli kaksi ryhmää, 2,85 Ga ja 2,76 Ga. Jälkimmäisen tulkittiin edustavan magman intrudoitumisikää, jolloin sedimentaatio olisi ollut vanhempaa kuin 2,76 Ga. Kyseisen intruusion kontakti ei kuitenkaan ole paljastunut, ja muualla sviitin alueella vastaavien intrusiivikivien kontaktit paragneissien kanssa näyttävät olevan pikemminkin tektonisia kuin intrusiivisia. Sen vuoksi trondhjemiittigneissin ikä ei välttämättä rajaa paragneissien sedimentaatioikää.

Muut iänmääritykset Tuntsan sviitistä antoivat paleoproterotsooisia tuloksia. Monatsiitin ikä määritettiin suoraan viidestä paragneissinäytteestä tehdyistä ohuthieistä. Kaikki monatsiitit olivat iältään 1,79–1,80 miljardia vuotta. Yhdestä näytteestä määritettiin Sm–Nd-menetelmällä granaatin ikä, mikä oli myös noin 1,8 Ga. Turmaliinia sisältävät pegmatiitit ovat yleisiä Tuntsan sviitin alueella. LA-ICP-MS-analyysit yhden pegmatiittijuonen zirkoneista osoittivat sekä arkeeisia että paleoproterotsooisia, pääosin 1,89–1,92 Ga ikiä. Nuorin ikä saatiin arkeeisen zirkonin päälle kasvaneesta reunasta, joka oli iältään n. 1,82 miljardia vuotta.

Mineraalianalytiikka

Päämineraalien analytiikka paljasti myös mielenkiintoisia detaljeja. Useimmat granaattirakeet olivat vyöhykkeellisiä, mikä kertoo paine- ja lämpötilaolosuhteiden muutoksista rakeiden kasvun aikana. Elektronimikroanalysaattorin lisäksi valittujen näytteiden mineraalien koostumusta analysoitiin automatisoidulla pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, joka oli yhdistettynä energiadispersiiviseen röntgenspektroskooppiin (SEM-EDS). Käytetty laite oli Exeterin yliopiston Camborne School of Minesin QEMSCAN® 4300. QEMSCAN-analyysit paljastivat voimakkaan vyöhykkeellisyyden granaateissa, joissa melkein täydellisesti omamuotoisen keskuksen päälle on kiteytynyt reunus, jonka koostumus eroaa huomattavasti keskuksesta (kuva 2).

Paine-lämpötila-aika-kehitys

Tuntsan paragneissien paine- ja lämpötilakehitystä mallinnettiin Perple_X -termodynamiikkaohjelmistolla. Ohjelmistolla voi tehdä PT-pseudosektioita, jotka ovat faasidiagrammeja kiinteälle kokokivikoostumukselle. Pseudosektiot ovat käyttökelpoisia työkaluja metamorfisten mineraaliseurueiden ja mineraalien koostumusvyöhykkeellisyyden tulkinnassa. Kuvassa 2 näkyvillä granaateilla on Ca-rikas ja Mg-köyhä keskus, joka kuvan 3 mukaan on kiteytynyt noin 530–540 celsiusasteen lämpötilassa ja 6 kilobaarin paineessa, mikä vastaa noin 20 kilometrin syvyyttä Maan kuoressa. Granaatti-stauroliitti-kyaniitti-biotiittiseurueet ovat kuitenkin yleisiä Tuntsan sviitin alueella, ja kuvan 3 mukaisesti niiden pitäisi olla stabiileja paljon korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa, noin 630–680 celsiusasteen lämpötilassa ja 8–10 kilobaarin paineessa. Tämä tarkoittaa, että granaatin keskus alkoi todennäköisesti kiteytyä paljon aikaisemmin kuin stauroliitti ja kyaniitti eikä granaatin keskus ole kemiallisessa tasapainossa jälkimmäisten mineraalien kanssa. Kuvassa 2 näkyvien granaattien ulkoreunat ovat Ca-köyhiä, mutta Mg-rikkaampia kuin ytimet, mikä viittaa siihen, että reunat kiteytyivät alhaisemmissa paineissa ja korkeammissa lämpötiloissa kuin keskukset.

Jos oletetaan että systeemissä oli koko ajan ylimäärin vettä, niin mineraalikoostumusten ja -tekstuurien perusteella kivet seurasivat PT-polkua, jossa paine ja lämpötila nousivat n. 6 kilobaarin paineesta ja 530 celsiusasteen lämpötilasta n. 9 kilobaariin ja 650 celsiusasteeseen. Tätä seurasi jäähtyminen ja paineen laskeminen noin 550 celsiusasteeseen ja jopa 2–3 kilobaariin, mikä näkyy stauroliitin ja biotiitin + kyaniitin hajoamisreaktioissa muodostuneina andalusiittikiteinä ja kordieriittina. Jos kuitenkin oletetaan, että systeemi oli veden suhteen alikylläinen, niin PT-kenttä, jossa stauroliitti, kyaniitti ja granaatti esiintyvät tasapainoisena yhdessä, on huomattavasti laajempi kuin kuvassa 3, jolloin grt-st-ky-seurue on mahdollinen myös selvästi 650 ℃:tta alhaisemmissa lämpötiloissa. Systeemi voi olla vedestä alikylläinen Tuntsan tapaisessa polymetamorfisessa ympäristössä, jossa suuri osa vesipitoisista faaseista, joiden hajoamisreaktiot säilyttävät H2O-ylikylläisyyden lämpötilan kasvaessa, on jo kulunut aikaisemmassa korkean asteen metamorfoosissa. Tätä varsin oleellista asiaa koskevaa pohdiskelua ei julkaisussamme vielä ollut, mitä on pidettävä yhtenä tutkimuksen puutteista. Monatsiitin ja granaatin ikämääritysten perusteella on joka tapauksessa todennäköistä, että yllä mainittu PT-kehitys tapahtui paleoproterotsooisella ajalla.

 

Havaittu granaatin vyöhykkeellisyys, jossa Mg:n määrä kasvaa ja Ca:n vähenee rakeen keskeltä reunoille, on varsin mielenkiintoinen. Yleensä peliittisissä kokokivikoostumuksissa granaatin Ca-pitoisuus pienenee paineen laskiessa, jos kokokiven koostumus pysyy muuttumattomana. Vastaavaa granaatin vyöhykkeisyyttä, vaikkakaan ei yhtä vahvaa kuin kuvassa 2, havaittiin myös kordieriittipuutteisissa granaatti-kyaniitti-stauroliitti-biotiitti-plagioklaasi-kvartsiseurueissa, joissa mitkään tekstuurit eivät viitanneet paineen laskuun. Syynä granaatin vyöhykkeellisyyteen tässä tapauksessa on oletettavasti se, että granaatin ja plagioklaasin ytimet ovat sitoneet metamorfoosin varhaisessa vaiheessa suurimman osan käytettävissä olevasta kalsiumista. Jos kalsiumpitoisuus on alhainen vaikuttavassa kokokivikoostumuksessa, joka kontrolloi myös granaatin koostumusta, voi granaatille kehittyä matalakalsiumiset reunat myös paineen ja lämpötilan kasvaessa.

Tuntsan sviitin alue koki useita tektonisia ja metamorfisia tapahtumia lähes miljardin vuoden aikana. Ensimmäinen korkean asteen metamorfoosi tapahtui neoarkeeisella ajalla noin 2,70–2,64 Ga sitten, mistä ovat osoituksena migmatiittiutumisen jäänteet ja metamorfisten zirkonien U-Pb-iät. Paleoproterotsooisella ajalla sviitin sedimenttisyntyiset gneissit deformoituivat ja kiteytyivät voimakkaasti uudelleen kohtalaisessa paineessa, jolloin muodostui stauroliittia, kyaniittia ja granaattia sisältäviä mineraaliseurueita. Tämä liittyi oletettavasti kuoren tektoniseen vahvenemiseen noin 1,89 Ga sitten, Lapin granuliittikompleksin työntyessä eteläpuolisten muodostumien päälle. Tämän jälkeen kivet alkoivat eroosion ja tektonisten prosessien seurauksena kohota. Monatsiitin iänmääritykset viittaavat siihen, että viimeinen matalan paineen metamorfoosi tapahtui noin 1,79 Ga sitten.

Epilogi

Isälläni ei ollut juurikaan mahdollisuuksia matkustaa. Ainoat hänen omistamansa kulkuneuvot olivat hevonen ja kärryt, polkupyörä ja potkukelkka. Tämä logistiikka yhdistettynä ikuiseen rahapulaan ei antanut hänelle mahdollisuutta toteuttaa unelmamatkaansa Tuntsaan kotikylältämme Etelä-Savosta. Elämänsä aikana hän teki vain kolme matkaa, kaksi niistä suuntautui Helsinkiin ja yksi pitempi ulkomaille, Neuvostoliittoon. Suomen hallitus maksoi onneksi jälkimmäisen, mutta toisaalta retki ei ollut erityisen miellyttävä; suuren osan ajasta hän joutui kävelemään, majoitus oli huono ja usein ilmassa oli niin paljon lyijyä, että matkasta oli vaikea nauttia. Isäni oli kuitenkin viisas mies, tai ainakin tarpeeksi ymmärtäväinen lähettääkseen minut oppikoulun pääsykokeisiin kesällä -65, jolloin Beatles järjesti toisen konserttikiertueensa Yhdysvaltoihin ja maailma alkoi muuttua. Pääsin kokeesta läpi ja aloitin Mikkelin lyseossa opintoni, jotka edelleen jatkuvat. Vanhempieni päätöksen seurauksena päädyin urallani myös Tuntsaan. Isäukkoni olisi iloinen puolestani.

Lähteet

Hölttä, P. 2012 (toim.). The Archaean of the Karelia Province in Finland. Geologian tutkimuskeskus, Special Paper 54. 254 s. Saatavissa: https://tupa.gtk.fi/julkaisu/specialpaper/sp_054.pdf

Hölttä, P., Kivisaari, T., Huhma, H., Rollinson, G., Kurhila, M. & Butcher, A. R. 2020. Paleoproterozoic Metamorphism of the Archean Tuntsa Suite, Northern Fennoscandian Shield. Minerals 10 (11), 1034.

Kivisaari, T. 2008. Tuntsan metasedimenttivyöhykkeen metamorfoosi. Maisterintutkielma, Geotieteiden ja maantieteen osasto, Helsingin yliopisto. 52 s.

Mints, M. V. & Dokukina, K. A. 2020. Age of eclogites formed by the subduction of the Mesoarchaean oceanic crust (Salma, Belomorian Eclogite Province, eastern Fennoscandian Shield, Russia): A synthesis. Precambrian Research 350.

Teksti: Pentti Hölttä

Filosofian tohtori Pentti Hölttä on työskennellyt kallioperägeologina ja erikoistutkijana Geologian tutkimuskeskuksessa elokuusta 1984 asti. Vuodesta 2003 lähtien hän on toiminut myös dosenttina Helsingin yliopistossa, missä hän on opettanut metamorfista petrologiaa maisteriopiskelijoille ja ohjannut pro graduja ja väitöskirjoja. Hänen suurimmat mielenkiinnon kohteensa tutkimuksessa ovat olleet metamorfinen ja arkeeinen geologia. Viime vuosina Pentti Hölttä on mm. laatinut metamorfisen kartan Suomesta ja soveltanut monatsiitin U–Pb-ikämääritysmenetelmää paleoproterotsooisen metamorfoosin ajallisen kehityksen tutkimuksessa.