Keurusselän šokkilamellien paluu

English summary: In early December 2003 Jarmo Moilanen brought me a granitoid breccia sample he’d found from Keurusselkä. He’d been there with Satu Hietala, who discovered the Keurusselkä shatter cones the previous month. The sample looked promising, so I had a thin section made of it. And thus, on December 15th 2003 Keurusselkä planar deformation features (PDFs) in quartz were discovered, albeit unindexed and from a boulder.

Since then, Martin Schmieder and colleagues managed to date Keurusselkä (1150 Ma or more, making it one of the oldest dated impact structures known), and several studies have looked into Keurusselkä shatter cones and geophysics. However, the only study taking a closer look at the PDFs was by Ludovic Ferrière and colleagues, who in 2010 established their presence beyond any doubt by finding them from in situ shatter cone samples and properly indexing them with a universal stage.

Now Keurusselkä PDFs have made a minor return. Lidia Pittarello and co-workers have looked into samples from Keurusselkä, Manicouagan, Charlevoix and Chicxulub impact structures in order to establish if there is a relationship between the crystallographic orientation of the PDFs (and some other shock-induced microstructures) and the direction of the shock wave that formed them.

Until now, the question has barely been touched upon, and mostly for the sake of convenience rather than anything else it has been generally assumed that the orientation of the mineral with respect to the passing shock wave is more or less insignificant. I’m cutting a few corners here, but essentially the idea has been that it’s only the shock pressure that defines the crystallographic orientation of the PDFs, while the orientation of the mineral grain and e.g. any pre-existing tectonic deformation of the sample are unimportant.

In a paper accepted for publication in Meteoritics & Planetary Science Pittarello et al. show that life’s not quite that straightforward. There in fact is a clear distinction between the crystallographic orientations of shock features in quartz and feldspar grains of samples prepared parallel or normal to the propagation of the shock wave. In other words, the orientations of the shock-induced microstructures in quartz and feldspar are not random but have preferred orientations with respect to the (presumed) direction of the propagation of the shock wave and, therefore, the results of shock barometry based on PDFs and other microstructures don’t reflect merely the shock pressure but also the direction of the shock wave. However, the degree of pre-impact tectonic deformation doesn’t seem to play a role.

These are just the first results, and further studies – preferably including detailed laboratory shock experiments – are clearly needed. Details of the correlation between the PDF and shock wave orientations remain elusive at the moment. Determining those details may turn out to be impossible. Nevertheless, the first steps have been taken, partially thanks to samples from Finland’s largest and oldest impact structure, Keurusselkä.

Sincerely, Teemu

Joskus joulukuun alkupuolella vuonna 2003 kaverini Jarmo Moilanen toi minulle kiven. Sen hän oli löytänyt Keurusselältä, jossa hän oli ollut Satu Hietalan kanssa etsimässä mahdollisia merkkejä muinaisesta törmäyksestä.

Aiemmin marraskuun puolivälissä Satu oli löytänyt asuinseudultaan lohkareita, joissa enemmän tai vähemmän kaarevalla pinnalla matalat harjanteet ja niiden väliset uurrosmaiset painanteet muodostavat kartiomaisen rakenteen. Nämä eivät olleet mitään pintapiperrystä, vaan rakenne läpäisi koko kiven. Satu piti niitä pirstekartioina, ja Jarmo vahvisti tulkinnan. Sittemmin marras–joulukuussa Satu ja Jarmo löysivät pirstekartioita roppakaupalla lisää niin irtolohkareista kuin kalliopaljastumistakin.

Jarmon löytämä ja työhuoneelleni toimittama irtolohkareena löytynyt kivi oli aika ruma. Se on mahdollisten törmäyssyntyisten kivien kohdalla aina lupaava merkki. Vajaan nyrkin kokoinen näyte oli selvästi joskus ollut jonkunmoinen graniitin sukuinen kivi, mutta sittemmin jokin oli ruhjonut sitä melko pahasti.

Tällaisia rikkoutuneita kiviä kutsutaan breksioiksi, ja niitä syntyy hyvin monissa erilaisissa geologisissa prosesseissa. Silmämääräisesti esimerkiksi kalliolohkojen liikunnoissa syntynyttä tektonista breksiaa ei voi varmuudella erottaa törmäyskraatterien yhteydessä esiintyvistä erilaisista törmäysbreksioista.

Murikka vaikutti sen verran lupaavalta, että teetin siitä Oulun yliopiston ohuthielaboratoriossa lasilevylle liimatun ja vain 0,03 mm paksun siivun eli ohuthieen. Näin ohkaisesta kivestä valo menee helposti läpi (paitsi malmimineraaleista). Niinpä sellaista voi kätevästi tutkia petrografisella eli polarisaatiomikroskoopilla.

Ohuthie valmistui ja pääsin ihmettelemään sitä mikroskoopin avulla. Katselin sitä muutaman minuutin, vedin jonkun kerran syvään henkeä, ja sitten tutkiskelin sitä eri suurennoksilla vielä uudemman kerran. Seuraavaksi pyysin työpöytäkompleksin vastapuolelta Hölman-brothersin toisen osapuolen Marko Holman vilkaisemaan hiettä. Hän ei kiistänyt tulkintaani. Sitten soitin Vaalaan Jarmolle:

– Moilane.
– Öömanni.
– No mitäpä mies?
– Ei kai tässä kummempia. Sain sen Keurusselän hieen.
– Siitä ei varmaan mitään sen merkillisempää löytynyt?
– Eipä siinä ihmeempiä, se on tommonen granitoidibreksia. Aika laillahan sitä on murjottu.
– Näinhän minä sitä arvelinkin.
– Ai niin. On siinä muuten kvartsissa šokkilamelleja, ainakin kahteen suuntaan.

Tässä vaiheessa Jarmon äänenvoimakkuus kohosi useamman pykälän ja korkeuskin hivenen. En liki 17 vuoden takaista keskustelua muista enää niin tarkasti, että rohkenisin sitä tuon pidemmälle approksimoida.

Šokkilamellit löytyivät 15.12.2003, vain kuukauden kuluttua ensimmäisistä pirstekartiohavainnoista. Joskus asiat sujuvat hämmästyttävän sukkelasti. Vaikka pirstekartiot jo sinällään ovat kiistaton törmäystodiste, vahvisti šokkilamellien löytyminen – vaikkakin irtolohkareesta ja ilman niiden kidetieteellisten esiintymistasojen määrittämistä – tulkintaa Keurusselän seudusta muinaisen törmäyskraatterin täysin kuluneena jäänteenä merkittävästi.

Polarisaatiomikroskooppikuvassa Keurusselän kvartsin helminauhašokkilamelleja ainakin kahteen suuntaan. Tavallinen kvartsi näyttäisi jokseenkin tasaisen harmaalta. Kuva-alan leveys noin 0,3 mm, ristipolarisoitu valo. Kuva / Photo: T. Öhman. English: Keurusselkä PDFs in two orientations. Width of the image ~0.3 mm, cross-polarised light.

Ensimmäisen kokousjulkaisun jälkeen Keurusselän pirstekartioita ja geofysiikkaa on tutkittu useammassakin artikkelissa. Keurusselkä myös saatiin vuonna 2016 Martin Schmiederin johdolla ajoitettua yhdeksi maailman vanhimmista todistetuista törmäyskraattereista. Se syntyi vähintään noin 1150 miljoonaa vuotta sitten.

Keurusselän šokkilamelleihin on kuitenkin palattu kunnolla vain kerran. Vuonna 2010 yksi maailman johtavista šokkimetamorfoosin asiantuntijoista, Wienin luonnontieteellisessä museossa työskentelevä Ludovic Ferrière kollegoineen määritti pirstekartioiden kvartsi- ja plagioklaasirakeisiin syntyneiden šokkilamellien (englanniksi planar deformation features eli PDFs) ja tasomurtumien (engl. planar fractures) avulla Keurusselän kivien kokeneen aavistuksen alle 20 gigapascalin paineen. Se vastaa noin 200 000 ilmakehää, mutta tuollaista lukemaa on käytännön tasolla varsin mahdotonta hahmottaa. Maan sisällä noin kovat paineet saavutetaan vasta reilun 500 km:n syvyydessä ylä- ja alavaipan välisellä vaihettumisvyöhykkeellä.

Nyt Keurusselän šokkilamellit tekevät pienimuotoisen paluun. Wieniläistutkijat Lidia Pittarello ja Ludovic Ferrière kumppaneineen ovat syynänneet kanadalaisten Charlevoix’n ja Manicouaganin, dinosaurusten tappaja Chicxulubin, sekä Keurusselän törmäyskiviä. Näiden tutkimusten pohjalta kesäkuun alussa Meteoritics & Planetary Science -lehden sivuilla ilmestyi julkaistavaksi hyväksytty artikkeli Preferred orientation distribution of shock‐induced planar microstructures in quartz and feldspar.

Juttu ei välttämättä ole sellainen, joka saisi osakseen valtavasti mediahuomiota tai suuren yleisön ihastuksen huokauksia. Tämä on ymmärrettävää, mutta myös hieman sääli, sillä suomalaisista kraattereista tehdään niin niukalti tuoretta tutkimusta, että jokainen uusi artikkeli on merkkitapaus. Ja tällainen ”tylsä” perustutkimus on juuri sitä, jota valtaosa tutkimustyöstä on.

Šokkilamellit ovat eniten käytetty keino todistaa törmäyskraatterikandidaatti ja arvioida šokkipaineen suuruutta. (Samalla ne ovat myös eniten väärinkäytetty keino, mutta ei mennä siihen tällä kertaa sen syvällisemmin.) Tyypillisimmillään ja ”helpoimmillaan” ne ovat kvartsissa, joka on yksi maankuoren yleisimmistä mineraaleista.

Šokkilamellien syntyä ei pohjimmiltaan vielä täysin ymmärretä. Kvartsissakin niitä on syntytavaltaan vähintään kahta eri tyyppiä, todennäköisesti enemmän. Pääsääntöisesti niiden kuitenkin voi ajatella olevan tasopintoja, joissa kvartsin kiderakenne on paineen vaikutuksesta tuhoutunut ja muuttunut lasiksi.

Myöhemmin lasi alkaa hiljalleen kiteytyä takaisin kvartsiksi, mutta se jättää jälkeensä lähinnä vedestä koostuvia pikkuriikkisiä pisaroita eli fluidisulkeumia. Mikroskoopilla sivusta katsottuna nämä pisaroista koostuvat tasot näyttävät tummilta suorilta vieri vieressä olevilta pisteviivoilta. Näitä on suomeksi kutsuttu helminauhašokkilamelleiksi (engl. decorated planar deformation features eli decorated PDFs).

Paineesta riippuen šokkilamelleja syntyy eri kidetieteellisiin tasoihin. Nämä tasot määrittämälllä voidaan tehdä arvio kyseisen kivinäytteen kohtaamasta suurimmasta paineesta. Aiemmin on oletettu, ettei kivessä olevan mineraalirakeen suunnalla suhteessa šokkiaaltoon kuitenkaan olisi merkitystä. Perinteisen yksinkertaistetun näkemyksen mukaan mukaan siis vaikkapa 20 GPa:n paineessa kvartsiin syntyvät samat šokkilamellit riippumatta siitä, missä asennossa vinhasti etenevä šokkiaalto ja kvartsirae toisensa kohtaavat.

Pittarellon vetämän ryhmän tulokset antavat nyt ensimmäiset vahvat viitteet sen puolesta, ettei tämä yksinkertaistus pidä paikkaansa. Kaikkien neljän tutkitun kraatterin kivissä havaittiin merkittävät erot kvartsin ja maasälvän šokkilamellien suunnissa, kun verrattiin samasta näytteestä šokkiaallon oletetun tulosuunnan suuntaisesti ja sitä vastaan kohtisuoraan tehtyjä hieitä (jos ihan tarkkoja ollaan, Chicxulubin kohdalla tilanne on monitulkintaisempi, koska šokkiaallon suunnasta ei ole varmaa käsitystä). On siis ainakin pieneltä osin kiinni ihan puhtaasta sattumasta, millaisia šokkilamelleja mihinkin mineraalirakeeseen muodostuu.

Vaikka eri suunnissa selvä ero havaittiinkin, varsinaisen šokkiaallon tulosuunnan ja sen vaikutuksesta syntyvän šokkilamellin suhteen kertovan ”mittarin” kehittämisestä ollaan vielä kaukana. Se luultavasti vaatisi laboratoriokokeiden tekemistä.

Tutkimuksessa kiinnitettiin huomiota myös siihen, vaikuttaako kivissä jo ennen törmäystä ollut ihan tavanomainen liuskeisuus syntyviin šokin todisteisiin. Tässä vertailussa Keurusselän gneissi edusti liuskeisinta tyyppiä. Liuskeisuudella ei kuitenkaan havaittu olevan minkäänlaista vaikutusta šokki-indikaattorien suuntiin. Laboratoriokokeet olisivat kuitenkin paikallaan tämänkin havainnon vahvistamiseksi tai kumoamiseksi.

Jos joskus saadaan šokkilamellien suunnat tilastollisesti sidottua šokkiaallon tulosuuntaan, saadaan myös paremmat mahdollisuudet ymmärtää, kuinka esimerkiksi kraatterien keskuskohoumat ja -renkaat syntyvät. Niissä kiviaines liikkuu sekä pysty- että sivusuunnissa jopa kymmeniä kilometrejä ennen päätymistään nykyisille sijoilleen. Mikäli kivet pystyisivät kertomaan, missä päin kraatteria ne olivat kun rytinä alkoi, saattaisi koko kraatterin keskusosien monimutkainen dynamiikka avautua hieman nykyistä paremmin. Törmäyskraatterit ovat aurinkokuntamme yleisin pinnanmuoto, joten niiden ymmärtäminen olisi vallan mukavaa.*

Keurusselän kaltaisten pohjiaan myöten kuluneiden kraatterinjäänteiden tapauksessa tämä saattaisi osaltaan auttaa selvittämään, minkä tyyppinen ja sen myötä myös kuinka suuri alkuperäinen kraatteri mahtoi olla. Tuohon pisteeseen pääseminen vaatii kuitenkin vielä lukemattomia työtunteja ja niiden tuloksena syntyviä tutkimusartikkeleja.

Kuten Pittarellon ryhmän artikkelissakin todetaan, voi silti käydä niin, että šokkilamellien ja šokkiaallon suunnan suhteen yksityiskohtainen selvittäminen osoittautuu käytännössä mahdottomaksi. Jos niin tapahtuu, se e ole varsinainen ongelma tai pettymys, vaan erottamaton osa perustutkimuksen luonnetta. Joka tapauksessa askel askeleelta tulevien vuosikymmenten aikana hiljalleen selviää, onko asia ylipäätään selvitettävissä vai ei. Niin tai näin, Keurusselän Valkeaniemen kivet olivat osaltaan mahdollistamassa ensimmäistä askelta.


Kiitokset Jarmo Moilaselle šokkilamellien löytöpäivämäärän tarkistuksesta. Tämä juttu ilmestyi myös Ursan Kraatterin reunalta -blogissani.

*Tätä kappaletta hieman täydennetty iltapäivällä 24.6. Mineraalien näkökulmasta oleellista on, missä päin syntyvää kraatteria ne sijaitsivat šokkiaallon saapuessa, eli missä ne olivat suhteessa törmäyskohtaan (joka horisontaalitasossa yleensä vastaa likimain näkyvän kraatterin tai sen jäänteen keskikohtaa). Koska šokkiaalto on suunnilleen pallosymmetrinen harvinaisia loivakulmaisia törmäyksiä lukuun ottamatta, ei törmäävän kappaleen tulosuunnalla tai -kulmalla ole järin suurta merkitystä. Paikallisesti šokkiaallon kulkusuunnassa tosin tapahtuu erilaisten aineen rajapintojen vuoksi kaikenlaisia muutoksia. Jos ja kun mineraalit Pittarello et al.:in mukaan ilmeisesti ”muistavat” suhteensa šokkiaallon tulosuuntaan, voisi laajalla näytteenotolla kuitenkin ainakin periaatteessa pyrkiä selvittämään, mistä kivet päätyivät sinne missä ne nyt ovat.

Muokkaus myöhemmin iltapäivällä 24.6.: Yhtä linkkiä muutettu melkein asianosaisen lukijan pyynnöstä.

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