Nykyään on itsestään selvää, että voimme kävellä kuivalla maalla merestä kohoavilla mantereilla, jotka levittäytyvät kuin tukevat ja turvalliset laivankannet.
Geologien on kuitenkin ollut jossain määrin vaikea selittää, kuinka mantereet ovat syntyneet – ja kuinka ne ovat säilyneet näihin päiviin asti.
On nimittäin kaikkea muuta kuin varmaa, että planeetalla muodostuu sellaista kevyttä maankuorta, jollaisesta Maan mantereet koostuvat. Sitä ei esiinnykään millään muulla Aurinkokunnan kiviplaneetalla.
Vielä hämmästyttävämpää on se, että ensimmäiset mantereet eivät uponneet Maan kuumiin sisäosiin. Osa mantereista on ollut olemassa yli 2,5 miljardia vuotta.
Kanadalaisen Albertan yliopiston tutkimusryhmä on professori Graham Pearsonin johdolla saanut selville, että vasta muodostuneet mantereet saivat vyötärölleen valtavan pelastusrenkaan, joka piti ne pinnalla kiehuvassa magmameressä.
Maa jakautuu kerroksiin kuin täytekakku
Tutkimusryhmä julkaisi tuloksensa vuonna 2021 tiedelehti Naturessa. Artikkelin kirjoittajiin kuului muun muassa geologi Kristoffer Szilas Kööpenhaminan yliopistosta.
”Tavoitteena oli saada vastaus kysymyksiin, kuinka maapallon ensimmäiset mantereet, niin sanotut kratonit, muodostuivat ja kuinka ne ovat säilyneet miljardeja vuosia”, kertoo Szilas Tieteen Kuvalehdelle.
Kratonit ovat maapallon mantereisen kuoren hyvin vanhoja osia ja mantereiden vakaita ja kestäviä ytimiä. Esimerkiksi täkäläinen peruskallio Fennoskandian kilpi, jolla sijaitsee Suomen lisäksi melkein koko Ruotsi ja Luoteis-Venäjä, kuuluu Itä-Euroopan kratoniin.
Vanhimmat mantereet ovat olleet olemassa miljardeja vuosia
Ensimmäiset mannerytimet, kratonit, muodostuivat maapallon nuoruudessa 2,5 miljardia vuotta sitten. Kratoneita piti pinnalla litosfääri eli kivikehä, ja nykyään ne ovat maanosien paksuja, vakaita ytimiä.
Tutkimusryhmän selvitysten mukaan kratonit ovat peräisin ajalta, jolloin Maan geologiset voimat vaikuttivat eri tavalla kuin nyt.
Jotta voi ymmärtää, mitä maapallolla tapahtui tuolloin, täytyy tietää, mitä maapallolla tapahtuu nykyään.
Nykyiset mantereet liikkuvat tapahtumasarjana, jota kuvataan laattatektoniikaksi kutsutulla teorialla. Seitsemän suuren ja monen niitä pienemmän maankuoren laatan keskinäisessä asemassa tapahtuu jatkuvia muutoksia.
Esimerkiksi Pohjois-Amerikka ja Eurooppa joutuvat kauemmaksi toisistaan ja Intia työntyy Euraasiaan.
Kivikehälaattojen liike on äärimmäistä kierrätystä, sillä vanha maankuori, joka on yleensä merenpohjaa, vajoaa Maan sisuksiin.
Tapahtumasarjan mahdollistaa se, että Maa jakautuu useisiin geologisiin kerroksiin – ikään kuin se olisi pallomainen täytekakku.
Sisimpänä on kiinteä sisäydin, jota ympäröi nestemäinen ulkoydin. Sen päällä on vaippa, joka kiertää ydinosaa yli 2 800 kilometriä paksuna enimmäkseen kuumana ja jähmeänä kerroksena. Päällimmäisenä kiertävät 2–40 kilometrin paksuiset maankuoren laatat.
Maankuori surffaa merellä
1. Kahdenlaista maankuorta
Maanpinnan muodostavasta kovasta kuorikerroksesta erotetaan kaksi eri päätyyppiä. Merellinen kuori koostuu lähinnä basaltista, joka on raskas, tumma kivilaji. Sen sijaan mantereinen kuori sisältää enimmäkseen kevyempää graniittia.
2. Jäykkä vaippa tukee alta
Maankuoren alla on ylävaippa. Kankea kerros liimautuu kuoreen, ja ne muodostavat yhdessä 80–300 kilometriä paksun litosfäärin, joka alapuolella olevaa kerrosta kevyempänä kelluu sen päällä.
3. Litosfääri seilaa kuumalla merellä
Litosfäärin alla olevaa vaipan kehää kutsutaan astenosfääriksi. Sen lämpötila on noin 1 300 astetta. Astenosfääri pitää litosfääriä koholla ja liikkeellä kuin meri, jossa on hitaita virtauksia. Astenosfäärin alapuolella on vielä lämpimämpi mesosfääri.
Tutkimusten mukaan vaipan ylin osa on viileä ja jäykkä ja se seuraa maankuoren laattojen liikettä. Lisäksi se on niin kevyt, että se voi yhdessä kuoren kanssa nousta ja antaa mantereiden siirtyä vaipan raskaampaan ja pehmeämpään osaan.
Maankuori ja kankea ylävaippa muodostavat yhdessä litosfäärin.
Työntö ja puristus paksunsivat litosfääriä
Pearsonin, Szilasin ja heidän tutkijatovereidensa suurin haaste oli päästä jyvälle siitä, kuinka ikivanha pelastusrengas muotoutui ja varmisti mantereiden säilymisen.
”Halusimme saada selville, kuinka ylävaippa on syntynyt ja millaisia prosesseja syntymä on vaatinut”, toteaa Kristoffer Szilas Tieteen Kuvalehdelle.
Tutkimusryhmä käytti työssään eri puolilta maapalloa kerättyjä tietoja. Esimerkiksi Kristoffer Szilas esitti Lounais-Grönlannissa tehtyjen kenttätutkimusten tulokset.
Osa kenttätutkimuksesta tehtiin Lounais-Grönlannissa. Tanskalaisgeologi Kristoffer Szilas otti näytteitä 3,8 miljardia vuotta vanhasta peridotiittikivestä.
Kun koko tutkimusaineisto käytiin läpi, kävi ilmi, että litosfäärin on täytynyt syntyä vaakasuoran tektonisen liikkeen eli maamassojen yhteentörmäysten tuloksena.
Kun maankuoren laatat törmäävät toisiinsa, ne paitsi painuvat kokoon myös tulevat paksummiksi ja samalla kestävämmiksi.
Tällaiset yhteentörmäykset vaativat vastakkaisia voimia. Sellaisia ei esiintynyt kuitenkaan maapallolla silloin, kun nykyinen maankuoren laattojen kohtaamisen aiheuttava liike alkoi.
Vaikka voi vaikuttaa oudolta, laattojen liike saa aikaan myös subduktion eli alityönnön. Siinä on kyse vanhan maankuoren häviämisestä vajoamisen seurauksena. Alityöntövyöhykkeillä toisen laatan alle työntyy nykyään etupäässä ohutta merellistä maankuorta, mutta jos paksua litosfääriä ei olisi olemassa, mantereetkin voisivat upota.
Paksua litosfääriä ei olisi voinut syntyä siis ilman mantereita, mutta mantereet eivät olisi puolestaan voineet pysyä pinnalla ilman litosfääriä.
Kristoffer Szilas tähdensi Tieteen Kuvalehdelle sitä, että ylävaipalla oli ratkaiseva merkitys mannerten säilymiselle ja sitä kautta myös ihmislajin olemassaololle. Jos mantereet olisivat hävinneet, koko planeetta olisi nykyään veden peitossa.
Tutkijoilta puuttui siis yksi palapelin osanen. Se löytyi yllättävästä paikasta.
Laavalamppu loi mantereet
Litosfäärin ikä vaihtelee maanosittain. Vertailu järjesti Kristoffer Szilasille ja hänen kollegoilleen yllätyksen, sillä paljastui, että mantereiden alla oleva paksu ylävaippa on selvästi nuorempaa perua kuin itse mantereiden vanhimmat osat.
Tutkimusaineistosta kävi ilmi, että ylävaippa kasvoi räjähdysmäisesti noin 2,5 miljardia vuotta sitten. Monet seikat viittaavat siten siihen, että maankuoren laatat olivat alkaneet liikkua jo tuolloin.
”Voidaan nähdä, että ylävaipan muodostuminen kiihtyi selvästi. Se vihjaa, että vaakasuorat ja puristavat voimat juontuvat tuolta ajalta”, toteaa Kristoffer Szilas.
Litosfäärin on siis täytynyt syntyä mantereiden jälkeen. Keskeinen kysymys on, mikä niitä piti koossa aluksi.
Vaakasuorat ja puristavat voimat juontuvat ilmeisesti noin 2,5 miljardin vuoden takaa. Geologi Kristoffer Szilas
Koska vanhimmilla kallioilla on ikää yli neljä miljardia vuotta, voidaan olettaa, että varhaisimmat mantereet, kratonit, ja niihin liittyvä litosfääri ovat syntyneet ennen maankuoren laattojen lähtemistä liikkeelle.
Ja nyt mukana kuvassa ovat nuorella maapallolla vaikuttaneet toisenlaiset geologiset voimat. Mikä sai aikaan ensimmäisten mantereiden pelastusrenkaan, jos avaintekijä ei ollut maankuoren laattojen liike?
Geologit ovat esittäneet ajatuksen tuntemattomista voimista, joihin he viittaavat ilmauksella pystysuora tektoniikka. Tapahtumasarjaa voidaan Kristoffer Szilasin mukaan verrata laavalamppuun, jossa kylmä vaha vajoaa ja lämmin vaha nousee pystyvirtauksina.
Malli antaa ymmärtää, että kratonit ovat voineet hyvinkin syntyä näin.
Mantereet kohosivat kuin vaha lampussa
Nykyään maanpinta jakautuu lukuisiin maankuoren laattoihin, joiden keskinäinen asema muuttuu liikkeiden myötä. Nuorella maapallolla maamassat käyttäytyvät toisin.
1. Samantapaista liikettä kuin laavalampussa
Nuori Maa oli lämpimämpi ja pehmeämpi. Siksi esiintyi pystysuoraksi tektoniikaksi kutsuttua liikettä, joka muistuttaa vahan kulkua laavalampussa. Kylmät litosfäärin kuplat vajosivat, ja kuumat magmakuplat nousivat.
2. Graniittia kohosi syvyyksistä
Liikkeet upottivat basalttia Maan uumeniin, missä se osittain suli. Syntyi paljon piitä sisältävää magmaa, joka nousi ja kiteytyi uudeksi, kevyeksi kiveksi, kuten graniitiksi, jota mantereilla esiintyy runsaasti.
3. Jäykät laatat vaelsivat vaakasuoraan
Kuivan maan osuus kasvoi, ja noin 2,5 miljardia vuotta sitten maankuoren laatat alkoivat liikkua. Tärkein liikkeellepaneva voima oli paine, jonka alityöntövyöhykkeillä vajoava merellinen maankuori aiheutti painollaan.
4. Paksut mantereet jatkoivat kellumista
Maankuoren laattojen liike johti myös yhteentörmäyksiin. Kun laatat törmäsivät, laatan alapuolinen litosfääri puristui kokoon ja paksuuntui. Ajan mittaan laattoihin muodostui tukeva köli, joka on pitänyt ne pinnalla miljardeja vuosia.
”Oletamme mantereiden syntyneen ympäristössä, jossa basaltit pinoutuivat jatkuvasti päällekkäin”, selittää Kristoffer Szilas.
Basalttia syntyy Maan vaipan sulista aineksista – yleensä laavasta. Nykyään basalttia purkautuu valtamerien keskiselänteillä. Koska maankuoren laatat loittonevat näillä alueilla, basaltista ei tule koskaan erityisen paksua.
Koska nuorella maapallolla ei esiintynyt maankuoren laattojen liikettä, basalttikerros pääsi paksuuntumaan rajattomasti. Magmaa nousi kaiken aikaa, ja kun sitä purkautui repeämien kautta, varhaisimmat mantereet, kratonit, kasvoivat kerros kerrokselta.
Kun basalttia oli kasautunut paljon, muodostumasta tuli niin raskas, että sen alaosa vajosi vaippaan. Tämä alkoi lämmöllään sulattaa basalttia.
Basaltin kaikki mineraalit eivät kuitenkaan sulaneet siinä samassa. Vain 10–20 prosenttia suli. Siksi syntyi erilaista magmaa kuin se magma, josta basaltti oli aikoinaan muodostunut.
Oletamme mantereiden syntyneen ympäristössä, jossa basaltit pinoutuivat jatkuvasti päällekkäin. Geologi Kristoffer Szilas
Uusi magma oli kevyempää, ja siksi se nousi pintaan. Siellä se jähmettyi muun muassa graniitiksi, josta mantereet nykyään pääosin koostuvat.
Havainnon pohjalta on päätelty, että maankuoren laattojen törmäyksiin johtava liike oli sivuosassa mantereiden muodostumisessa. Mantereista ei olisi kuitenkaan tullut ilman sitä niin paksuja, että ne olisivat voineet säilyä nykyaikaan asti.
Geologien kuva siitä, milloin maankuoren laatat alkoivat liikkua, on melko tarkka. Ajankohta on määritetty erikoisista löydöistä: ikivanhoista timanteista.
Planeetan sisuksen opasteita
Timantit koostuvat puhtaasta hiilestä, grafiitista, ja syntyvät valtavassa paineessa yli 200 kilometrin syvyydessä.
Kun timantteja muodostuu, niihin kapseloituu usein vähän vierasta materiaalia. Timantit sisältävät myös aina hiukan muita alkuaineita. Ominaisuudet voivat paljastaa, kuinka timantti on syntynyt.
Timantteja syntyy, kun hiili altistuu valtavalle paineelle 200 kilometrin syvyydessä. Timantit päätyvät maanpinnalle kimberliittiin kätkeytyneinä.
Vuonna 2020 tehdyn tutkimuksen mukaan siinä, mitä vieraita aineita timantit sisältävät, tapahtui muutos kolme miljardia vuotta sitten.
Tuolloin alkoi syntyä timantteja, joiden isäntäkivi on eklogiittia. Niitä muodostui, kun merenpohjan tavallinen kivilaji, basaltti, altistui paineen ja lämpötilan nousulle. Ja se oli mahdollista vain, kun maankuoren laatat liikkuivat ja merellinen maankuori vajosi alityöntövyöhykkeillä.
Samoihin aikoihin timanttien sisältämien muiden alkuaineiden pitoisuus alkoi vaihdella rajusti. Vaihtelu vihjaa, että 200 kilometrin syvyyteen työntyi yhtäkkiä aineksia pinnalta. Kyse oli merivedestä, liejusta ja ehkä eliöistä peräisin olevasta hiilestä. Tämä on selvä merkki siitä, että maankuoren laatat olivat lähteneet liikkeelle.
Kun tiedetään, milloin maankuoren laatat alkoivat liikkua ja kuinka litosfääri toimi mantereiden pelastusrenkaana, on päästy pitkälle Maan kehityksen ratkaisuvaiheiden kartoittamisessa.
Kristoffer Szilasin mukaan tiedot auttavat paitsi ymmärtämään kotiplaneettaamme myös arvioimaan, millaisilla vieraiden aurinkokuntien planeetoilla voi esiintyä elämää.
”Kuinka voisimme ymmärtää niitä, jos emme ole perillä oman planeettamme geologisesta kehityksestä?” kysyy Szilas.