Paasselän mineraalit maailmankartalle

English summary: Paasselkä structure in eastern Finland was suggested to be of impact origin back in 1979. However, evidence for shock metamorphism wasn’t discovered until twenty years later in 1999. Now, another twenty years on (well, officially it will be 21 years) we have a brand new groundbreaking view into the shock metamorphic features of Paasselkä. Dr. Gavin Kenny, whom the Finnish crater enthusiasts remember particularly from the new age determination (and shock metamorphic studies) of Lappajärvi, from Naturhistoriska riksmuseet (Swedish Museum of Natural History) in Stockholm lead a team of researchers (including the almost ever-present Dr. Martin Schmieder) who focussed on the shock metamorphism of apatite. In addition, they took a pretty close look at shocked zircons and monazites. The result is a cover story in the January issue of Geology, titled Recrystallization and chemical changes in apatite in response to hypervelocity impact. A small part of the whole story is freely available in an abstract from the Large Meteorite Impacts and Planetary Evolution VI -conference.

What Kenny et al. did was they carried out the first detailed look into the microstructure of a terrestrial, shocked apatite. They used electron backscatter diffraction (EBSD) in conjunction with more conventional scanning electron microscopy techniques to characterize shock-induced recrystallization and deformation. The paper presents several “firsts”. To quote the authors themselves, they “present the first microstructural charac­terization of terrestrial shocked apatite, which reveals crystal-plastic deformation and striking recrystallization textures that had not been rec­ognized previously and may not be visible with traditional imaging techniques (such as BSE imaging of polished grain interiors). Moreover, this is the first report of impact-related crystal­lization of wagnerite (or a polymorph thereof) within apatite grains.”  Those “striking recrystallization textures” can be seen in the cover of Geology as well as in the figure below: the recrystallized apatite grains now consist of thousands of crystallites a few microns in diameter, aligned roughly parallel to each other. Lovely.

This recrystallization is also correlated with apatite chemistry: the recrystallized part of the apatite grain is depleted in magnesium and iron (those elements go into the newly formed wagnerite). Presumably the fluorine in wagnerite is also coming from the apatite. And this is what just might be the most far-reaching result of the new study. The estimates of the volatile contents of the mantles of other terrestrial planets like the Moon and Mars rely pretty heavily on apatite analyses. Now if the fluorine content of the analysed apatite does not reflect the original fluorine content but has been changed by shock metamorphism, also the estimates of the water contents are off. This is because fluorine, chlorine and hydroxyl (OH) all fit the same place in the apatite crystal lattice. Hydroxyl in apatite is difficult to analyse, so commonly it’s been just assumed that what’s lacking in the apatite analysis is OH. This assumption just became somewhat more complicated. Obviously I’m oversimplifying this, but the bottom line is that thanks to the new work on Paasselkä apatites, at least some things need to be reconsidered when estimating the amount of water in the interiors of the terrestrial planets.

Regarding the shocked zircons and monazites, Kenny and colleagues made lots of wonderful new discoveries. Well, new for Finland and Paasselkä at least. Zircon (ZrSiO4) has been dissociated into SiO2 and ZrO2. As far as I remember, this is the first time this has been reported from a Finnish impact structure. Evidence for the former presence of a high-pressure and high-temperature polymorph of zircon called reidite was previously described by Kenny and co-workers from Lappajärvi, but now they found it also in Paasselkä. This FRIGN zircon (former reidite in granular neoblast zircon) is in my opinion the coolest new thing discovered in shock metamorphic studies over the last few years, and it’s freakin’ awesome that we now have it both in Lappajärvi and Paasselkä. With respect to Paasselkä monazite, Kenny’s team found deformation twinning of the type that is known only from shocked monazites. Such a shock feature has not been found anywhere else in Finland. Not that there’s been any doubt about the origin of Paasselkä, but these new pieces of evidence make Paasselkä clearly the second-best proven impact structure in Finland.

Studies like this new paper by Gavin Kenny and his colleagues remind me why, back in the day, it really was the right choice for me to study what I wanted to instead of what might have been the “smart” option. Thanks, guys!

Sincerely, Teemu               

Paasselkä on Savonlinnan, Kiteen ja Rääkkylän rajamailla sijaitseva pyöreähkö kymmenkilometrinen järvenselkä. Järven alla majaileva painanne tunnistettiin törmäyskraatterin jäänteeksi kaksikymmentä vuotta sitten. Arvelut sen mahdollisesta törmäyssynnystä ovat kuitenkin tuplasti vanhempia. En tiedä, vietettiinkö Paasselällä tänä vuonna kaksi- ja nelikymmenvuotisjuhlia, mutta aihetta juhliin olisi ollut.

Paaselkä on yksi harvoista Suomen kraattereista, joille on saatu tehtyä varsin luotettava ikämääritys, noin 231 miljoonaa vuotta. Suomen oloista tuolta ajalta ei kovin paljon tiedetä, sillä Paasselän törmäyskivien ohella Suomesta ei tunneta muita triaskaudella syntyneitä kivilajeja. Se kuitenkin tiedetään, että muun Fennoskandian tapaan Suomi sijaitsi jossain nykyisen Välimeren leveyspiirin tienoilla. Geologisesti täällä vietettiin lähinnä ainaista joulua, eli kulutusjuhlaa: vanhat kivilajit kuluivat hiljakseen pois, ja niistä syntyneet jätekasat kuljetettiin jonnekin muualle. Dinosaurukset olivat tuolloin jo aloittaneet maailmanvalloituksensa, joten eiköpähän niitä hiippaillut Savon ja Karjalan rajamaillakin, vaikkei niistä todisteita ole jäänytkään. Geologin silmin Paasselkä on siis Suomessa hyvin harvinaislaatuinen paikka. Poikkeuksellisen geologisen historiansa sijasta Paasselkä on kuitenkin paremmin tunnettu kansainvälistäkin mainetta nauttivista Paasselän piruista.

An almost natural colour image of Paasselkä impact structure in August 2015. The red star denotes the location of the by now quite well-studied glacially transported impact melt rock sample found by Jarmo Moilanen and used in a number of papers and abstracts. The diameter of the Paasselkä lake is about 10 km and that is usually cited as the diameter of the impact structure as well, although nobody has ever done a thorough estimate of either the present-day or the original size of the crater. North is to the top of the figure.
Paasselkä Landsatin kuvaamana elokuussa 2015 likimain luonnollisissa väreissä. Punainen tähti osoittaa useissa tutkimuksissa käytetyn Jarmo Moilasen löytämän jäätikön kuljettaman törmäyssulakiven löytöpaikan. Pienten järvien ja lampien suuntaus kertoo jäätikön virtaussuunnan. Pohjoinen ylhäällä.
Figure / Kuva: NASA / USGS / Landsat 8 / T. Öhman.

Nyt Ruotsin kuninkaallisessa luonnontieteellisessä museossa (Naturhistoriska Riksmuseet) Tukholmassa postdoc-tutkijana työskentelevä Gavin Kenny on ainakin hetkeksi tuupannut pirut pois valokeilasta. Hänen vetämänsä tutkijaryhmä on nimittäin julkaissut uusia uria törmäyskraatteritutkimukseen aukovan artikkelin Paasselän törmäyksen vaikutuksista mineraaleihin. Ryhmässä on myös mukana Paasselkää ja onneksemme useita muitakin Suomen kraattereita tiiviisti tutkinut Martin Schmieder. Artikkeli Recrystallization and chemical changes in apatite in response to hypervelocity impact ilmestyy Geology-lehden tammikuun numerossa kansikuvajuttuna, mutta se on jo kotvan aikaa ollut sähköisesti saatavilla (maksumuurin takana tosin). Samasta aiheesta ilmestyi myös tänä syksynä Brasiliassa pidetyssä Large Meteorite Impacts and Planetary Evolution VI -tapaamisessa esitelty vapaasti luettavissa oleva kokousjulkaisu.

Kennyn ja kumppaneiden artikkelissa keskitytään apatiitti-mineraaliin. Apatiitti – kaavaltaan Ca5(PO4)3(F,Cl,OH) – kuuluu fosfaatteihin ja on kaikille sikäli omakohtaisesti tuttu, että hammaskiille on lähes kokonaan apatiittiä. Kuten apatiitin kaavan loppuosa osoittaa, fluori, kloori ja hydroksyyli-ioni, eli yhtä happiatomia vajaa vesimolekyyli, voivat korvata toisiaan. Ikiaikaisen mineralogisen perinteen mukaan tässä kohdassa tarinaa on kerrottava, että juuri hydroksyylin korvautumiseen fluorilla perustuu fluorihammastahnan käyttö. Hydroksyyliapatiitti ei nimittäin kestä happohyökkäystä yhtä hyvin kuin fluoriapatiitti, joten tahnasta hammaskiilteen käyttöön vapautuva fluori suojaa hampaita. Pieninä määrinä apatiitti on hampaiden ohella hyvin tyypillinen mineraali monissa kivilajeissa, joten sitä löytyy Paasselän seudun vajaat pari miljardia vuotta vanhasta kallioperästäkin. Fosfaattinsa vuoksi apatiittia myös louhitaan esimerkiksi Siilinjärvellä peltojen lannoitteeksi (ja samalla tietysti Itämeren rehevöitteeksi).

Tutkimuksen kannalta apatiitti on hyvin monikäyttöinen mineraali. Sitä hyödynnetään esimerkiksi erilaisissa ikämäärityksissä. Samoin se on oivallinen tutkittaessa metasomatoosia, eli kiviaineksessa kiertelevien kuumien liuosten aiheuttamia kemiallisia ja mineralogisia muutoksia. Apatiitti on  myös keskeisessä osassa arvioitaessa esimerkiksi Kuun ja Marsin sisäosien veden määrää.

Vaikka toisten taivaankappaleiden apatiitit ovat väkisinkin joutuneet törmäysten runtelemiksi, ei tähän mennessä Maan törmäyskraatterien apatiitteja ole järin yksityiskohtaisesti tutkittu. Niinpä kenellekään ei ole muodostunut kovin tarkkaa käsitystä siitä, mitä apatiitille pohjimmiltaan tapahtuu, kun se kohtaa korkean shokkipaineen. Kennyn ja kumppanien tutkimus onkin ensimmäinen työ, jossa perehdytään syvällisesti maanpäällisen apatiitin shokkimetamorfiseen mikrorakenteeseen. Tutkimuksen ytimessä on viimeisen vuosikymmenen aikana yleistynyt takaisinsironneiden elektronien diffraktioon (electron backscatter diffraction, EBSD) perustuva elektronimikroskopian sovellus.

Tutkimuksessa löytyi esimerkiksi apatiittikiteiden deformaatioon ja uudelleenkiteytymiseen liittyviä piirteitä, jollaisia ei ole ennen tunnistettu. Osin tämä selittyy sillä, että perinteisin tutkimusmenetelmin nyt havaitut törmäyssyntyiset piirteet lienevät näkymättömiä. Paasselän shokkimetamorfisille fluoriapatiiteille oli tyypillistä kaunis rakeinen tekstuuri, jossa alkuperäinen apatiittirae on uudelleenkiteytynyt suunnilleen yhdensuuntaisiksi muutaman mikrometrin läpimittaisiksi osasiksi.

Backscattered electron (BSE) image of the surface of a beautiful recrystallized shocked apatite grain from Paasselkä. The shock created a recrystallization texture where the grain is now composed of thousands of crystallites all roughly parallel to each other. This texture is not visible using optical microscopy or BSE imaging of the polished grain interior.
Paasselän shokkimetamorfisen apatiittirakeen pintaa ns. BSE- eli takaisinsironneisiin elektroneihin (backscattered electron) perustuvassa elektronimikroskooppikuvassa. Törmäyksen synnyttämä shokkiaalto on aiheuttanut apatiittirakeen uudelleenkiteytymisen, jolloin on syntynyt poikkeuksellinen suuntautuneista osasista koostuva rakeinen tekstuuri. Optisen mikroskopian keinoin tekstuuri ei ole havaittavissa.
Figure / Kuva: Gavin Kenny.

Toinen täysin uusi löytö on törmäyksen aiheuttama rauta- ja magnesiumpitoisen fosfaatin, wagneriitin,1 kiteytyminen apatiitin sisälle. Wagneriitti esiintyy ainoastaan apatiitin uudelleenkiteytyneillä alueilla, eikä sitä tavata laisinkaan niissä kohdin apatiittirakeita, jotka eivät uudelleenkiteytymistä kokeneet. Wagneriitin vaatima rauta ja magnesium ovat selvästi peräisin wagneriittia ympäröivästä uudelleenkiteytyneestä apatiitista, sillä uudelleenkiteytyneen apatiitin rauta- ja magnesiumpitoisuudet ovat alhaisemmat kuin kutakuinkin alkuperäisessä kunnossaan säilyneen apatiitin.

Nämä fosfaattien mikrorakenteelliset ja geokemialliset löydöt voivat ehkä äkkiseltään kuulostaa hivenen kuivakkailta. Kraatteritutkijat ovat kuitenkin aina tällaisista uusista avauksista innoissaan. Lisäksi Kennyn ja kumppaneiden työllä voi hyvin olla paljon kauaskantoisempia ja nimenomaan epäkuivakkaita vaikutuksia planeettatutkijoiden elämään. Koska shokin vaikutuksesta Paasselän apatiitissa syntyi wagneriittia, jonka rauta ja magnesium tulevat sitä ympäröivästä apatiitista, on luonnollista olettaa, että myös wagneriitin fluori on peräisin apatiitista. Shokkimetamorfoosi siis todennäköisesti vaikuttaa apatiitin fluoripitoisuuteen. Ja tämä saattaa muuttaa vallitsevia käsityksiä isoistakin asioista.

Apatiittien fluori ja kloori ovat paljon helpommin analysoitavissa kuin niiden hydroksyyli. Siksi apatiittianalyyseistä ”puuttuva aines” on useimmiten oletettu hydroksyyliksi, siis karkeasti ottaen vedeksi. Paasselän tulokset viittaavat siihen mahdollisuuteen, ettei vaikkapa Marsissa tai Kuussa suurille törmäyksille alttiina olleen apatiitin mitattu fluoripitoisuus välttämättä vastaakaan alkuperäistä, kuten on oletettu. Niinpä apatiittianalyyseihin perustuvat Kuun ja Marsin sisäosien vesipitoisuuslaskelmat voivat olla jonkin verran pielessä. Kuun vetinen sisus taas on ollut kenties suurin viimeisen parin vuosikymmenen aikana tapahtunut mullistus käsityksissämme Kuusta. Asia tietysti vaatii runsaasti lisätutkimuksia, mutta Paasselän mineraalit voivat hyvinkin olla alkusysäys uusille ajatusmalleille aurinkokuntamme kivisten kappaleiden vetisestä historiasta. Vähintään entisiä malleja pitää Paasselän tietojen pohjalta tarkastella uudesta näkökulmasta.

Paasselän apatiitteihin liittyy myös opettavainen tarina luonnontieteellisen tutkimuksen luonteesta. Alun perin Gavin Kennyn ei nimittäin edes pitänyt tutkia Paasselän apatiitteja. Hänen varsinainen leipälajinsa on kraatterien iänmääritys käyttäen uraani–lyijy-menetelmää shokkimetamorfisten zirkonimineraalien ajoittamiseen. Tähän menetelmään perustuen hän esimerkiksi julkaisi Lappajärven uuden ikämäärityksen vuosi sitten. Shokkimetamorfisia zirkoneja hänen oli tarkoitus Paasselästäkin kaivaa esiin.

Zirkonit saadaan tutkittaviksi, kun kivinäyte murskataan ja separoidaan. Separoinnin loppuvaiheessa käytetään ns. raskasnesteseparointia. Siinä nesteenä on yleensä metyleenijodidi, jolla on niin korkea tiheys, että ainoastaan zirkonin kaltaiset raskaimmat mineraalit vajoavat liuoksen pohjalle. Sieltä ne on helppo noukkia tutkittaviksi.

Pahaa aavistamatta Kenny marssi laboratorioon ja alkoi separoida zirkoneja esiin. Vaan kuinka ollakaan, joku edellinen käyttäjä olikin hänen tietämättään laimentanut metyleenijodidia. Niinpä liuoksen pohjalle mötkähtivät zirkonien ja ajoitukseen myös sopivien monatsiittien ohella hieman kevyemmät apatiititkin. Joku muu olisi saattanut heittää apatiitit mäkeen, mutta avarakatseisena tutkijana Kenny tuumasi, että tutkitaan nyt sitten näitäkin. Lopputulos on nähtävissä Geology-lehden kannessa.

Paasselän apatiittitarina onkin erinomainen esimerkki serendipisyydestä. Samankaltaisten onnekkaiden sattumien seurauksena keksittiin mm. rokottaminen,  penisilliini ja kosminen taustasäteily. Paasselän shokkimetamorfiset apatiitit asettuvat näin osaksi komeaa tieteenhistoriallista jatkumoa.

Vaan entäpä ne separoidut Paasselän zirkonit ja monatsiitit, mitä niille tapahtui? Niillä Kenny ja kumppanit tekivät suomalaisten törmäyskraatterien mittakaavassa historiaa. Zirkonissa havaittiin useita shokkimetamorfoosin aiheuttamia piirteitä, joista zirkonin hajoamista zirkoni- ja piidioksideiksi (ZrO2 ja SiO2) ei ainakaan oman muistini mukaan Suomen muista kraattereista ole toistaiseksi löydetty. Zirkonin hajoaminen osoittaa zirkonirakeiden kuumentuneen vähintään 1673°C:een. Paasselän zirkoneissa havaitut todisteet zirkonin tilapäisestä muuttumisesta korkean paineen ja lämpötilan polymorfiseksi muodoksi reidiitiksi puolestaan ovat Lappajärven jälkeen toiset Suomesta löydetyt. Monatsiittien osalta Paasselkä sai nimiinsä Suomen ensimmäiset todisteet monatsiittikiteen ns. kaksostumisesta tavalla, joka on ominaista ainoastaan shokkimetamorfoosille. Nämä tulokset osoittavat jälleen kerran, että Suomen törmäyskraattereissa riittää erittäin runsaasti mahdollisuuksia kansainvälisesti merkittäviin löytöihin.

Paasselkä kuuluu Suomen suurimpien kraatterien joukkoon. Sen törmäyssyntyiset kivilajit ovat Suomen ainoat tunnetut triaskautiset kivet, ja niissä on joukko massiivisen räjähdyksen todisteita, jollaisia ei ole löydetty mistään muualta Suomesta. Paasselän apatiitit ovat koko maapallon ensimmäiset törmäyksessä muuttuneet apatiitit, joiden mikrorakenne on kunnolla tutkittu. Eikä mistään muualta kuin Paasselältä ole raportoitu shokkimetamorfisen wagneriitin kiteytymistä apatiitin sisällä. Ja sitten on tietysti vielä ne pirut. Eikös tässä olisi jo ihan riittävästi aineksia paikallisen geomatkailun kehittämiseen? Tai biisiaihiota Kiteen suurelle pojalle Tuomas Holopaiselle?

1Wagneriitti on apatiittia muistuttava rautamagnesiumfosfaatti, (Mg,Fe2+)2(PO4)F. Kennyn ryhmän tutkimuksessa ei voitu kiistatta osoittaa kyseessä olevan wagneriitti, vaan ainoastaan jokin wagneriitin polymorfinen muoto. Mineralogiassa polymorfialla tarkoitetaan sitä, että sama kemiallinen koostumus voi esiintyä eri kidejärjestelmissä ja näin ollen muodostaa eri mineraaleja. Tunnettu esimerkki polymorfiasta on grafiitti ja timantti. Ne ovat kumpikin kemialliselta koostumukseltaan hiiltä, mutta erilaisten kiderakenteidensa vuoksi ominaisuuksiltaan hyvin voimakkaasti toisistaan poikkeavia mineraaleja.


Tämä juttu ilmestyi myös Ursan Kraatterin reunalta -blogissani.

Jätä kommentti

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s