Maan historian aikajana

Globaali menetys: Geologeilta uupuu miljardi vuotta

Elämän kehityksen ehkä tärkeimmästä vaiheesta ei ole juuri jäänyt jälkiä maanpinnalle. Yli 150 vuotta häviämisen syytä selvitettyään tutkijat alkavat olla valmiita esittämään selityksen.

Elämän kehityksen ehkä tärkeimmästä vaiheesta ei ole juuri jäänyt jälkiä maanpinnalle. Yli 150 vuotta häviämisen syytä selvitettyään tutkijat alkavat olla valmiita esittämään selityksen.

Shutterstock & Claus Lunau

Geologi John Wesley Powell tähyilee jokea reunustavia kallioita. Hän näkee, että korkeissa seinämissä ei ole kaikki kohdallaan.

On vuosi 1869, ja Powell on tullut tutkimaan Yhdysvaltojen vielä huonosti tunnettuja lounaisosia.

Yhdessä yhdeksän muun miehen kanssa Powell liikkuu vaarallista Coloradojokea pitkin kartoittaakseen amerikkalaista erämaata. Kolmen kuukauden pituinen tutkimusmatka on liikaa neljälle miehelle, ja he lähtevät kesken pois. Powell ei kuitenkaan luovuta, sillä hän uskoo olevansa jonkin suuren jäljillä.

John Wesley Powell

John Wesley Powell lähti vuonna 1869 kartoittamaan tuolloin vielä tutkimattomia Colorado- ja Greenjokien varsia.

© Granger/Ritzau Scanpix

Joki kuljettaa Powellin Grand Canyoniin, ja tässä valtavassa rotkolaaksossa hän pystyy selvästi erottamaan kallioseinämien kerrokset. Ne koostuvat hiekasta, savesta ja kalkista, jotka ovat maapallon menneisyydessä kasautuneet päällekkäin ja muun muassa varastoineet eri elämänmuotoja satojen miljoonien vuosien ajalta.

Maapallon historian kallioarkisto ei ole kuitenkaan läheskään täydellinen. Powell huomaa nopeasti, että iso pala puuttuu.

Yli miljardiin puuttuvaan vuoteen sisältyy aika, jolloin ensimmäiset eläimet kehittyivät.

Nykyään, 150 vuotta myöhemmin, tiedetään, että Powellin tekemä havainto pätee joka ainoaan mantereeseen ja että puuttuva pala vastaa yli miljardia vuotta eli maapallon historian jaksoa, joka alkoi noin 1,8 ja loppui 0,6 miljardia vuotta sitten.

Kuinka ihmeessä Maa on voinut menettää miljardi vuotta? Globaalille geologiselle menetykselle on etsitty selitystä Powellin ajoista asti, mutta vasta nyt syy alkaa olla selvillä.

Menetys koski koko Maata

Havainnostaan Powell saa kiittää tarkkanäköisyyttään.

Normaaliolosuhteissa kalliota muodostuu jatkuvana kerrostumisprosessina sitä mukaa kuin hiekkaa, savea ja kalkkia kasautuu päällekkäin. Tällöin erillisistä, suurin piirtein yhdensuuntaisista kerroksista syntyy ikään kuin täytekakku. Kerrokset voivat mennä kallelleen peruskallion liikkeen vuoksi, mutta niiden keskinäinen asema säilyy.

Grand Canyonissa alimmat kerrokset ovat hyvin vinossa ja ylimmät vaakasuorassa. Powellin löi ällikällä se, että siirtymä vinoista kerroksista suoriin on jyrkkä, vaikka sen kuuluisi olla liukuva.

Sedimenttikerrostumia

Grand Canyonissa kerrostumien häviäminen näkyy selvästi. Alimmat – yli miljardi vuotta vanhat – kerrokset ovat vinossa, kun taas viimeksi syntyneet kerrokset ovat vaakasuoria.

© Tom Bean/Alamy/ImageSelect

Miljoonien vuosien aikana syntyneitä ylä- ja alaosan toisiinsa liukuvasti yhdistäviä välikerroksia pitäisi olla satojen metrien paksuudelta. Ne kuitenkin loistavat poissaolollaan.

Powell käytti ilmiöstä nimitystä suuri diskordanssi eli yhteensopimattomuus. Sittemmin määrittämällä eri kerrostumien ikä on päästy selville, että kalliorinteistä puuttuu paikoin 175 miljoonaa, paikoin peräti 1,6 miljardia vuotta Maan historiaa.

Powell ei voinut edes aavistaa, että diskordanssi on maailmanlaajuinen ilmiö. Hyvin harvasta paikasta on löydetty kadonneiden vuosien ja samalla planeetan erikoisimpiin kuuluvan tapahtuman – ensimmäisten eläinten kehittymisen – jälkiä.

Muinaiseläin
© Shutterstock

Jäännökset paljastavat merkkipaalut

Noin 1,8 miljardia vuotta sitten alkanutta ja 0,6 miljardia vuotta sitten päättänyttä ajanjaksoa koskevat sivut on revitty pois maapallon historiankirjasta. On kuitenkin löydetty rippeitä, jotka valottavat välähdyksellisesti hävinneitä vuosia.

1 630 milj. vuotta sitten: Meteoriitti murskasi Australian

Länsi-Australiassa sijaitseva läpimitaltaan 30-kilometrinen Shoemaker on harvoja tältä ajalta säilyneitä törmäyskraattereita. Se todistaa, että Maahan osui 1, 6 miljardia vuotta sitten meteori, jonka halkaisija oli metri.

Meteori
© Shutterstock

1 500 milj. vuotta sitten: Sienet erosivat

Nykyään on olemassa jopa 3,8 miljoonaa sienilajia. Sieniä pidettiin kauan kasveina, mutta ne ovat läheisempää sukua eläimille. Dna-analyysien mukaan sienten ja eläinten kehityslinjat erkaantuivat toisistaan noin 1,5 miljardia vuotta sitten.

Sieniä lähikuvassa
© Shutterstock

1 100 milj. vuotta sitten: Pohjois-Amerikka porisi

Noin 1,1 miljardia vuotta sitten Pohjois-Amerikka uhkasi murtua keskeltä. Syynä oli kupliva magma, joka paahtoi mannerta altapäin. Magmakanavien jäännökset ovat yhä nähtävissä.

Magmaa
© Justinreznick/Getty Images

890 milj. vuotta sitten: Eläimiä alkoi syntyä

Ensimmäiset eläimet kehittyivät varmasti tällä kaudella, mutta tarkkaa ajankohtaa ei tiedetä. Dna-analyysien ja yksittäisten fossiilien perusteella ensimmäisten, ilmeisesti nykyisiä sarveispiisieniä muistuttaneiden, eläinten on arvioitu syntyneen 650–890 miljoonaa vuotta sitten.

Sarveispiisieniä
© Shutterstock

Kalliokerrosten puuttuminen on havaittavissa kaikilla mantereilla – myös Euroopassa. Powellin diskordanssin alapuoli voidaan nähdä suurelta osin sileässä ja kuluneessa peruskalliossa, joka yhdistää Suomea, Ruotsia, Norjaa ja Luoteis-Venäjää.

Ja kaikkialta on hävinnyt kutakuinkin sama ajanjakso. Se alkoi 1,5–2 miljardia vuotta sitten ja päättyi noin 550–600 miljonaa vuotta sitten.

Tästä syystä melkein neljäsosa maapallon menneisyydestä on lähes kokonaan hämärän peitossa.

Jämerä jättiläinen hioutui

Kun otetaan huomioon koko planeetta, kiveä puuttuu hämmästyttävä määrä. Siksi kalliota hävittäneen tapahtumasarjan on pitänyt kestää hyvin kauan. Niinpä onkin etsitty tekijää, joka on voinut vaikuttaa satoja miljoonia vuosia.

Maapalloa muuttaa jatkuvasti maankuoren laattojen liike. Uusia merialueita ja vuoristoja on kehittymässä kaiken aikaa, ja vain ani harvat geologiset muodostumat säilyvät pitkään.

Siitä huolimatta on onnistuttu löytämään useita vaihtoehtoisia tekijöitä, jotka ovat vaikuttaneet sekä sopivaan aikaan että riittävän kauan, jotta niillä voidaan selittää kerrosten häviäminen.

Sitä mukaa kuin geologien todistusaineisto karttui, ristiriitaisuudet lisääntyivät.

Yhtenä mahdollisena tekijänä pidetään muinaista jättiläismannerta Nunaa, josta käytetään myös nimitystä Columbia. Siitä tiedetään melko vähän, mutta oletettavasti se muodostui 1,8 miljardia vuotta sitten ja oli olemassa ainakin puoli miljardia vuotta eli kaksi kertaa kauemmin kuin muut jättiläismantereet maapallon menneisyydessä.

Nunan kestävyyden takia kaikki mantereinen maankamara pysyi pitkään vakaasti paikallaan. Siksi vesi ja tuuli pääsivät kuluttamaan pintaa kauan tasaisesti. Kulumisen seurauksena saattoi hävitä valtava määrä kalliota kaikkialta.

Teoria vaikutti aluksi pätevältä – muun muassa siksi, että Nunan muodostumisaika ja Powellin diskordanssi Coloradojoella sopivat hienosti yhteen. Sitä mukaa kuin geologien todistusaineisto karttui, ristiriitaisuudet kuitenkin lisääntyivät.

Esimerkiksi vuonna 2019 julkaistussa kiinalaisessa tutkimuksessa todettiin, että kalliota alkoi hävitä Kiinan alueella vasta Nunan hajoamisen jälkeen.

Murskain rouhi Maata

Nuna-teorian ongelmat ovat pakottaneet tutkijat etsimään vaihtoehtoista selitystä. He ovat kiinnittäneet huomiota toiseen voimatekijään, jolla olisi voinut olla edellytykset hävittää runsaasti kalliota kaikkialla: maailmanlaajuiseen jääkauteen.

Jääpeite voi kasvaa niin paksuksi ja painavaksi mannerjäätiköksi, että se murskaa sitkeänä massana virratessaan kaiken tielleen osuvan. Noin 11 700 vuotta sitten päättyneen viime jääkauden aikana mannerjäätikkö rouhi Pohjolan kallioperää, kuljetti murskaa Etelä-Ruotsiin ja Tanskaan ja muodosti näin siellä nykyisen maanpinnan.

Maailmanlaajuisen jääkauden aikana käytännössä koko planeetta on jään peitossa – valtameriä myöten.

Maailmanlaajuisia jääkausia on ollut useita, mutta etenkin 717 miljoonaa vuotta sitten alkanut Sturt on ollut tutkijoiden mielenkiinnon kohteena. Jääpeite kasvoi sen aikana niin massiiviseksi, että siihen oli sitoutunut ajoittain jopa puolet kaikesta Maan vedestä.

Planeetta tuskin oli kuitenkaan jatkuvasti kauttaaltaan jään peitossa. Ilmasto vaihteli niin, että kylmät ja lämpimät kaudet vuorottelivat, ja lopulta noin 660 miljoonaa vuotta sitten jäätiköt sulivat kokonaan.

Jäätiköt ehtivät siis rouhia maankamaraa yli 55 miljoonaa vuotta. Aika olisi hyvin riittänyt aiheuttamaan Powellin diskordanssin.

Yhdysvaltalainen geologi C. Brenhin Keller pitää jääkautta selityksenä. Hän uskoo, että Sturt murskasi mantereiden pintaa keskimäärin 1,6 kilometrin syvyydeltä. Hävinneet kalliot päätyivät hänen mukaansa mereen. Keller alkoi vuonna 2018 etsiä kollegoidensa kanssa niiden jäännöksiä.

Tuhoojan jäljille päästiin

Valtamerien pohjassa syntyy jatkuvasti uutta kiinteää kamaraa, kun Maan sisuksista pursuava magma jähmettyy. Samanaikaisesti vanhaa merenpohjaa häviää yhtä paljon alityöntövyöhykkeillä, joissa laatta työntyy toisen laatan alle ja vajoaa yleensä mantereiden tuntumassa.

Jos maailmanlaajuinen jääkausi täytti valtameriä kalliomurskalla 660 miljoonaa vuotta sitten, kiviaines on jo aikoja sitten vajonnut Maan sisuksiin alityöntövyöhykkeiden kautta. C. Brenhin Keller tiesi kuitenkin, ettei se ole hävinnyt jäljettömiin.

Kalliot sisältävät usein erittäin kestävää zirkoni-nimistä mineraalia. Alityöntövyöhykkeelle päätynyt kallio voi sulettuaan Maan sisuksissa nousta uudelleen merenpohjaan tulivuoritoiminnan tuloksena. Zirkonit käyvät läpi koko tapahtumasarjan muuttumatta.

Zirkonkrystal

Erittäin kestäviä zirkoneja esiintyy monissa eri kivilajeissa. Useimmiten kiteet ovat kuitenkin mikroskooppisen pieniä.

© Martin Heigan

Siksi Keller ja hänen tutkijatoverinsa alkoivat tutkia nimenomaan zirkoneja. Niitä oli kaikkiaan 30 000 Maan historian eri vaiheista. Zirkonit paljastavat alkuperänsä kahdella sisältämällään alkuaineella: hafniumilla ja hapella.

Hafniumia ja happea esiintyy useina isotooppeina eli massaltaan toisistaan poikkeavina atomeina. Eri isotooppien välinen suhde kertoo, ovatko zirkonit peräisin maankuoren yläosasta vai ovatko ne muodostuneet Maan sisuksissa.

Kellerin tutkimuksen mukaan maankuoren yläosasta – mitä todennäköisimmin mantereiden pinnalta – oli päätynyt mereen runsaasti zirkoneja Sturt-jääkauden aikana. Tulos vihjasi vahvasti, että pääsyy kallioiden häviämiseen oli jääpeite.

Osa tutkijoista kyseenalaisti päätelmän. Heidän mukaansa jäätiköt eivät voineet vaikuttaa kaikkialla yhtä tasaisesti, sillä jää liukuu yhtäällä ja kuluttaa toisaalla.

Geologi Michael DeLucian tuore tutkimus antaa tukea epäilijöille. Sen tulosten valossa näyttää siltä, että kalliot alkoivat hajota paljon ennen jääkautta.

Kiteet viittaavat toiseen suuntaan

Michael DeLucian tutkimusryhmä alkoi soveltaa vuonna 2018 uutta menetelmää analysoidessaan Yhdysvalloissa Missourin osavaltiossa sijaitsevaa kalliomuodostumaa, jolla on paljon yhteistä Grand Canyonin kanssa.

500 miljoonaa vuotta vanha kallio lepää välittömästi 1,4 miljardia vuotta vanhan kallion päällä. DeLucia tutki C. Brenhin Kellerin tavoin zirkoneja, mutta hafniumin ja hapen sijasta analyysin kohteena oli helium.

Zirkonikiteessä uraani ja torium hajoavat heliumiksi. Kun kide on syvällä maan uumenissa, lämpötila on niin korkea, että helium voi vapautua kiteestä. Kun kallioperä kuluu, zirkoni päätyy maankuoren yläosaan, joka on niin kylmä, ettei helium pääse vapautumaan.

Kiteiden sisältämän heliumin määrästä on siis mahdollista saada selville, milloin maanpinta on hajonnut.

DeLucia todisti erilaisten kallioiden zirkoneilla, että Powellin diskordanssin aiheuttanut tapahtumasarja alkoi jo 850 miljoonaa vuotta sitten eli noin 80 miljoonaa vuotta ennen Sturt-jääkautta.

Nykyisen Missourin osavaltion alueella manner menetti prosessin seurauksena kalliota ainakin kuuden kilometrin syvyydeltä.

Lisäksi uusi selitys sopii yhteen maapallon menneisyyden merkkitapauksiin kuuluvan jättiläismanner Rodinian hajoamisen kanssa. DeLucian mukaan kyse ei ole pelkästä sattumasta.

Ennen kuin jättiläismanner pirstoutuu, sen keskiosat kohoavat. Ja mitä ylävämpää maasto on, sitä nopeammin vesi ja tuuli kuluttavat sitä. Siksi hajoamisprosessissa on todennäköisesti hävinnyt suunnattomasti maankuorta.

Silti on vielä jotakin, mikä hiertää.

Palaset loksahtavat paikalleen

Kanadassa geologi Colin Sturrock teki kahden kollegansa kanssa vuonna 2021 yllättävän havainnon. Heidän tutkimuksensa mukaan syynä Kanadan kallioiden häviämiseen oli niin sanottu vaippadiapiiri.

Vaippadiapiirit ovat kuumia kuplia Maan vaipassa eli kuoren ja ytimen välisessä kerroksessa. Kuplien läpimitta voi olla satoja kilometrejä, ja ne voivat lähteä nousemaan ytimen rajalta noin 2 900 kilometrin syvyydestä.

Kuumuuden takia diapiirien tiheys on pieni, mikä tarkoittaa sitä, että ne pyrkivät kohoamaan kuin korkit pinnalle. Siksi kuplat tyrkkivät maankuorta altapäin ja nostavat sitä. Silloin maanpinta on entistä alttiimpi veden ja tuulen kuluttavalle vaikutukselle.

Vaippadiapiirit toisin sanoen voimistavat eroosiota. Kallio- ja maaperä kuluvat kuitenkin paikallisesti – eivätkä maailmanlaajuisesti.

Maan sisuksen kuuma kupla pullisti 650 miljoonaa vuotta sitten maankuorta Kanadassa niin paljon, että vesi ja tuuli pääsivät ohentamaan sitä ainakin kolme kilometriä.

Underjordisk magma
© Claus Lunau

1. Ydin lämmittää vaippaa

2 900 kilometrin syvyydessä alkava Maan kuuma ydin lämmittää päällään olevaa kerrosta, vaippaa. Lämpimästä vaipan aineesta syntyy tiheydeltään pieni kupla, joka nousee hitaasti kohti maankuorta.

Underjordisk magma
© Claus Lunau

2. Kupla kohottaa maastoa

Kupla törmää maankuoren alaosaan ja nostaa maanpintaa useita kilometrejä. Ylävä maasto on altis veden ja tuulen kuluttavalle vaikutukselle, joten maankuori alkaa ohentua pintakerros pintakerrokselta.

Underjordisk magma
© Claus Lunau

3. Eroosio tekee selvää kivestä

Kun kupla vähitellen leviää ja jäähtyy, se ei enää pullista maankuorta. Eroosio ei kuitenkaan lakkaa, ennen kuin kallio on monta kilometriä matalampi. Maastosta tulee laakea.

Underjordisk magma
© Claus Lunau

4. Vanhat kerrokset peittyvät

Kun ylimmät kerrokset kuluvat pois, ikivanhat kalliot paljastuvat. Ajan mittaan niille kasautuu kiviaineksia uusiksi kerrostumiksi. Näin syntyy Grand Canyonin kaltaisia kalliomuodostumia.

Michael DeLucian tavoin Sturrock määritti kallioiden häviämisajan zirkonien heliumpitoisuuden avulla. Analyysi osoitti, että Kanadassa tapahtumasta on kulunut 650 miljoonaa vuotta – eli 200 miljoonaa vuotta vähemmän kuin Missourissa DeLucian ajoituksen mukaan.

Sturrock pitää ainoana mahdollisena selityksenä sitä, että kallioiden menetykseen oli monta eri syytä. Näin ajateltuna kaikki esitetyt vaihtoehdot tulevat kysymykseen.

Kanadassa avaintekijä oli vaippadiapiiri, Missourissa taas Rodinian hajoaminen. Muualla taas pääosassa saattoivat olla Sturt-jääkausi tai kauan säilynyt jättiläismanner Nuna. Sturrock uskoo, että kaikkialla melkein samanlaisena havaittavan ilmiön aiheutti rajujen tapahtumien sarja. Eri tekijät vaikuttivat satojen miljoonien vuosien välein.

Teoria selittää hienosti sen, miksi tapahtuma-aika ei ole kaikkialla yksi ja sama. Osa tutkijoista pitää kuitenkin tiukasti kiinni siitä käsityksestä, että jokin tekijöistä oli muita merkittävämpi.

Pohjois-Amerikan ulkopuolella tehtävässä tutkimuksessa on jo alettu soveltaa muun muassa DeLucian heliummenetelmää. Tavoitteena on paljastaa John Wesley Powellin vuonna 1869 huomaaman maailmanhistorian suurimman menetyksen yksityiskohdat.

Läpimurto: On löydetty ensimmäinen eläin

Varhaisimmat eläimet ovat olleet suuri arvoitus, sillä niiden jäännökset hävisivät siinä tapahtumasarjassa, jonka vuoksi Maa on menettänyt geologien silmissä miljardi vuotta kamarastaan. Uudet löydöt ovat kuitenkin paljastaneet, millaisia eläimiä syntyi ensin.

Tutustu niihin täällä.