Geologiset iänmääritysmenetelmät: Miten maapallon aikajanaa tutkitaan

Teemu Karlsson

Geologisessa tutkimuksessa erilaisia iänmääritysmenetelmiä käytetään, kun selvitetään maapallon menneitä aikakausia, kallioperän ikää ja suurten geologisten tapahtumien, kuten tulivuorenpurkausten, vuoristojen kohoamisien tai joukkosukupuuttojen ajankohtia. Tässä artikkelissa esitellään tärkeimmät iänmääritysmenetelmät.

Suhteellinen iänmääritys: tapahtumien järjestyksen selvittäminen

Suhteellinen iänmääritys auttaa geologeja sijoittamaan tapahtumia ja kallioperän kerrostumia oikeaan aikajärjestykseen ilman tarkkaa numeerista ikää. Menetelmä perustuu muutamiin keskeisiin periaatteisiin:

• Superpositioperiaatteen mukaan häiriintymättömässä kerrosjärjestyksessä vanhimmat kerrokset sijaitsevat alimpana.
• Leikkaussuhteiden periaate puolestaan kertoo, että siirros tai magmaintruusio on nuorempi kuin kallioperä, jonka se lävistää.
• Lisäksi fossiilien peräkkäisyys osoittaa, että tietyt fossiilit esiintyvät aina tietyssä järjestyksessä, mikä auttaa kerrosten suhteellisessa ajoituksessa.

Näiden periaatteiden avulla ajoitettiin geologisten muodostumien suhteellisia ikiä jo ennen nykyaikaisten absoluuttisten iänmääritysmenetelmien käyttöönottoa. Hyvä esimerkki suhteellisesta iänmäärityksestä on Grand Canyonin kallioperän kerrokset, jotka voidaan järjestää noin 2 miljardin vuoden ikäisistä pohjakivistä 270 miljoonan vuoden ikäisiin kalkkikiviin saakka.

Radiometrinen iänmääritys: tarkkoja ikälukuja radioaktiivisten isotooppien avulla

Radiometrinen iänmääritys perustuu radioaktiivisten isotooppien tunnettuun hajoamisnopeuteen, jonka avulla kiven ikä voidaan määrittää numeerisella tarkkuudella.

Yksi tarkimmista menetelmistä on uraani–lyijy-(U–Pb)-ajoitus, jossa hyödynnetään uraanin hajoamista lyijyksi. Menetelmää käytetään erityisesti magmakivissä yleisesti esiintyviin zirkonikiteisiin, ja sillä voidaan ajoittaa yli miljardin vuoden ikäisiä kiviä jopa noin miljoonan vuoden tarkkuudella.

Toinen laajasti käytettävä menetelmä on kalium–argon-(K–Ar)-ajoitus sekä sen tarkempi muunnelma argon–argon-(⁴⁰Ar/³⁹Ar)-ajoitus. Näitä menetelmiä hyödynnetään erityisesti vulkaanisten kivien ja tuhkakerrostumien ajoittamisessa. Esimerkiksi liitukauden ja paleogeenin rajapisteen ikää on tarkennettu ⁴⁰Ar/³⁹Ar-menetelmällä noin 66,0 miljoonaan vuoteen.

Lyhyempiä aikavälejä varten käytetään hiili-14-ajoitusta, jossa mitataan radioaktiivisen ^14C-isotoopin hajoamista orgaanisesta aineksesta. Menetelmä soveltuu enintään noin 50 000 vuoden ikäisiin näytteisiin ja on keskeinen sekä arkeologiassa että kvartäärigeologiassa.

Luminesenssi-ajoitus: valon avulla määritettyjä ikälukuja

Luminesenssiin perustuvat iänmääritysmenetelmät hyödyntävät mineraalien kiderakenteisiin kertyneitä elektroneja. Kun näyte joko valaistaan tai kuumennetaan, nämä loukkuun jääneet elektronit vapautuvat ja tuottavat mitattavaa valoa, jonka määrä kertoo kuluneesta ajasta. Optisesti stimuloitu luminesenssi (OSL) määrittää, milloin mineraalirakeet ovat viimeksi altistuneet auringonvalolle, kun taas termoluminesenssi (TL) osoittaa, milloin näyte on viimeksi kuumentunut. Menetelmiä käytetään erityisesti sedimenttikerrostumien ja arkeologisten kohteiden ajoittamiseen, ja ne tarjoavat arvokasta tietoa tilanteissa, joissa orgaanista materiaalia tai sopivia radiometrisesti ajoitettavia mineraaleja ei ole saatavilla.

Paleomagneettinen ajoitus: maapallon magneettikentän muutosten hyödyntäminen

Paleomagneettinen ajoitus perustuu siihen, että kivet ja sedimentit tallentavat muodostumishetkellään maapallon magneettikentän suunnan. Kun näitä suuntauksia verrataan geologisessa aikataulukossa tunnettuihin magneettisen napaisuuden vaihteluihin, kerrostumien ikä voidaan arvioida. Menetelmää käytetään muun muassa laavavirtojen, merellisten sedimenttien ja merellisen kuoren ajoittamiseen sekä maailmanlaajuisten tapahtumien korrelointiin. Paleomagneettiset aineistot sisältävät selkeitä rajapyykkejä, kuten Brunhes–Matuyama-napaisuuskäännöksen noin 780 000 vuotta sitten, mikä tekee niistä tärkeän työkalun erityisesti kvartäärikauden tutkimuksessa.

Muita iänmääritysmenetelmiä

Tunnetuimpien iänmääritysmenetelmien lisäksi geologiassa voidaan hyödyntää useita menetelmiä, jotka täydentävät kivien ja geologisten tapahtumien ajoitusta. Ne täydentävät iänmääritystä erityisesti tilanteissa, joissa orgaanista ainesta tai radiometrisesti ajoitettavia mineraaleja on niukasti saatavilla.

Yksi tärkeistä tekniikoista on fissiojärjestysajoitus, jossa mitataan uraanin spontaanin hajoamisen jättämiä mikroskooppisia jälkiä mineraalikiteissä. Menetelmän avulla voidaan tutkia esimerkiksi vuorijonojen kohoamista ja eroosiota pitkien aikajaksojen aikana. Toinen samankaltainen menetelmä, (U–Th)/He-ajoitusta, perustuu mineraalikiteisiin kertyneen heliumin määrän mittaamiseen. Se tarjoaa tarkkaa tietoa esimerkiksi kallioperän lämpöhistoriasta ja eroosion nopeuksista, ja menetelmä on yleistynyt erityisesti geodynamiikan tutkimuksessa.

Kvartäärikauden lyhyempiä aikavälejä voidaan tutkia menetelmillä, jotka perustuvat luonnon säännöllisiin vuosirytmeihin. Varvianalyysissa arvioidaan järvien pohjasavien vuosikerroksia, ns. vuosilustoja, joita voidaan laskea yhtenäisesti tuhansien vuosien ajalta. Dendrokronologia puolestaan hyödyntää puiden vuosirenkaita, joiden avulla voidaan ajoittaa esimerkiksi tulivuorenpurkauksia ja maaperän muutoksia jopa vuoden tarkkuudella.

Lähteet

Schmitz, M., D. (2012). Chapter 6 – Radiogenic Isotope Geochronology. In: The Geologic Time Scale. Editor(s): Felix M. Gradstein, James G. Ogg, Mark D. Schmitz, Gabi M. Ogg, Elsevier 2012, s. 115-126. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-59425-9.00006-8.

Renne, P. R., et al. (2011). Time scales of critical events around the Cretaceous-Paleogene boundary. Science, 339(6120), 684–687. https://doi.org/10.1126/science.1230492

Reimer, P. J., et al. (2020). The IntCal20 Northern Hemisphere radiocarbon age calibration curve (0–55 cal kBP). Radiocarbon, 62(4), 725–757. https://doi.org/10.1017/RDC.2020.41

Wagner, G. A., & Van den Haute, P. (1992). Fission-Track Dating. Springer.

Murray, A. S., & Olley, J. M. (2002). Precision and accuracy in the optically stimulated luminescence dating of sedimentary quartz. Radiation Measurements, 37(4-5), 377–381. Saatavilla: Geochronometria

Gosse, J. C., & Phillips, F. M. (2001). Terrestrial in situ cosmogenic nuclides: theory and application. Quaternary Science Reviews, 20(14), 1475–1560. https://doi.org/10.1016/S0277-3791(00)00171-2

Tauxe, L. (2010). Essentials of Paleomagnetism. University of California Press. Saatavilla; EarthRef.org — Essentials of Paleomagnetism: Third Web Edition