LUOMUS

Luonnontieteellinen keskusmuseo

Maapallon suurimmat laavapurkaukset

Kuva: Teppo MäkeläLaattatektoninen teoria selittää useimmat kotiplaneettamme geologisista prosesseista, kuten mantereiden kasvun ja liikkeen, vuoristojen synnyn, sekä maanjäristysten ja vulkaanisten vyöhykkeiden esiintymisen mannerlaattojen reunaosissa.

Geologisissa kerrostumissa on kuitenkin todisteita suurista mullistuksista, joita laattatektoninen teoria ei pysty selittämään. Näistä dramaattisimpia ovat mannerten repeäminen ja noin 15 miljoonan vuoden välein tapahtuneet jättiläismäisen suuret laavapurkaukset. 

Purkausten jäänteitä kutsutaan tulva- eli laakiobasalteiksi ja ne ovat maapallon suurimpia tunnettuja ilmanalaisia vulkaanisia muodostumia. Laakiobasaltteja esiintyy kaikilla mantereilla ja niiden purkautumisella on ollut suuri vaikutus elämän ja ilmaston kehitykseen läpi maapallon historian. Laakiobasalttien merkittävyydestä huolimatta niiden alkuperä on kuitenkin edelleen suureksi osaksi hämärän peitossa.

Laakiobasalttien tutkimusta Luomuksessa

Suomen Akatemian rahoittama  ja Luomuksen geologian tiimin vetämä kansainvälinen tutkimusprojekti VALVE (Volatiles and Large Volcanic Eruptions) käynnistyi tammikuussa 2017 ja jatkuu aina vuoden 2020 loppuun. Projektin tutkimuskohteena ovat Karoo-muodostuman laakiobasaltit.

Karoon laakiobasaltit syntyivät Afrikan ja Etelämantereen väliseen repeämään dinosaurusten aikaan jurakaudella noin 180 miljoonaa vuotta sitten, kun eteläistä pallonpuoliskoa hallinnut Gondwana-jättiläismanner alkoi hajota. Kymmenien, jopa satojen, kilometrien syvyydellä maapallon vaipassa syntynyttä kivisulaa tunkeutui maankuoreen ja purkautui sen pinnalle muutaman miljoonan vuoden aikana noin kaksi miljoonaa kuutiokilometriä, joka vastaa satakertaisesti Itämeren tilavuutta.

Mesotsooisten laakiobasalttien jäänteet rekonstruoidulla Gondwana-jättiläismantereella. Karoo-provinssin tapauksessa myös laakiobasalttien ulkopuolelta kuvattujen intrusiivisten kivien (tulivuorten kiteytyneet syöttökanavat ja magmasäiliöt) esiintymisalue on näytetty. Keskeiset tutkimusalueet merkitty punaisella. Kuva: Luomus / Jussi Heinonen


Tutkimuksen suuntaviivat

Karoon laakiobasaltteja on tutkittu Helsingin yliopistolla aina 1990-luvun alkupuolelta saakka ja aiheesta on valmistunut mm. kolme väitöskirjaa (Luttinen 2000, Vuori 2004, Heinonen 2011). VALVE-projekti perustuu viimeaikaisiin tuloksiimme (esim. Luttinen et al. 2015 ja Heinonen et al. 2016). Projektin pääasiallisena tutkimuskohteena ovat hiljattain Afrikasta ja Etelämantereelta löydetyt harvinaislaatuiset, syvältä vaipasta laakiobasalttien alkulähteiltä peräisin olevat laavakivet (Riley et al. 2005, Heinonen 2011, Turunen et al. 2015). Mosambikissa vuonna 2012 keräämämme aineisto (Heinonen ja Luttinen 2013) on laajentanut tutkimusmahdollisuuksiamme huomattavasti.

Tutkittavista näytteistä analysoidaan pää- ja hivenalkuainekoostumuksia, mineraalien koostumuksia sekä radiogeenisten ja stabiilien isotooppien (Sr, Nd, Pb, Os, He) koostumuksia. Lisäksi VALVE-projektissa pyritään selvittämään magmojen sisältämien vulkaanisten kaasujen (SO2, CO2, H2O, Cl, F) koostumuspiirteitä. Analyysien avulla selvitetään laakiobasalttien kivisulien syntyoloja ja kehitysvaiheita ja tehdään päätelmiä vielä suurelta osin tuntemattoman vaippalähteen koostumuksesta ja kehityshistoriasta.

Laavakivinäytteitä kerätään kuraisina maastossa... ja analysoidaan kliinisinä laboratoriossa. Kuva: Luomus / Arto Luttinen ja Mary Horan

Vähäinen tietämys näiden valtavien purkausten perimmäisistä syistä johtuu osaltaan siitä, että suurin osa laakiobasaltteja muodostaneista kivisulista on maanpinnalle kohotessaan reagoinut voimakkaasti purkauskanavaa reunustavan kivikehän aineksen kanssa. Kivisulien alkuperäinen, vaipan syvyyksistä peritty koostumus on siksi vaikeasti tunnistettavissa ja tulkittavissa. Mantereiden alaisen syvän vaipan tutkimus on täten oleellinen osa laakiobasalttien mysteerien selvittämistä. Oliko laakiobasalttien alkulähteenä koostumukseltaan poikkeuksellinen vaipan osa? Oliko vaippa erityisen kuuma? VALVE-projektin haastavana tavoitteena on myös selvittää Karoon laakiobasalttien sisältämien kaasujen määrä ja laatu. Tämä tieto on arvokasta magmojen synnyn ymmärtämiseksi, mutta se kertoo myös valtavan magmapurkauksen ympäristövaikutuksista: Laakiobasalteista vapautuneen  rikkidioksidin, hiilidioksidin, halogeenien ja elohopean on arveltu olleen syynä useisiin eliökunnan joukkosukupuuttoihin, mutta magmojen kaasupitoisuuksista on toistaiseksi hyvin vähän suoria mittauksia. Pyrimme selvittämään kaasujen kemiaa tutkimalla laavakivien kiteisiin vangiksi jääneitä laavapisaroita, nk sulasulkeumia.

Pelkistetty läpileikkaus Karoon laakiobasalttiprovinssista n. 180 miljoonaa vuotta sitten. 1) Vaippakerros sulaa. 2) Sulat reagoivat kivikehän eli litosfäärin kanssa. 3) Sulat etenevät ylöspäin ja 4) purkautuvat maan pinnalle. 5) Jotkut harvinaiset sulat eivät sekoitu kivikehän kanssa ja niistä kiteytyneet kivet ovat siksi tärkeitä tutkimuskohteita. Kuva: Luomus / Jussi Heinonen


Uusimmat tulokset!

Viimeaikaiset tutkimustuloksemme viittaavat siihen, että Karoon suuri laakiobasalttimuodostuma syntyi ainakin kahdesta erilaisesta vaipan aineksesta (Luttinen 2016): 1) Karoon itäinen/eteläinen osa syntyi normaalista vaipan aineksesta. Voimakkaaseen sulanmuodostukseen on vaikuttanut vaipan kuumeneminen Gondwana-jättiläismantereen alla (Heinonen et al. 2010, 2015, Heinonen ja Kurz 2015, Luttinen et al. 2015) sekä raudasta rikkaiden osueiden  sulaminen suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (Heinonen et al. 2013, 2014). 2) Karoon läntisen/pohjoisen osan alkuperä on vielä epävarma. Alustavat tuloksemme osoittavat että vaippalähde oli erilainen kuin Karoon itäosassa ja että siinä oli vaipan syvistä osista kohoavien pluumien koostumuspiirteitä (Turunen et al. 2015). Tämän vaippalähteen tutkiminen onkin yksi VALVE-projektin päätavoitteita.

Basaltin sisältämiä oliviinista koostuvia mineraalikiteitä polarisaatiomikroskoopissa (kuvan leveys n. 2 mm). Kuva: Luomus / Jussi Heinonen


Tutkimushankkeen yhteistyötahot:


Luomuksen VALVE-tiimi:Kentällä Mosambikissa: Arto Luttinen, Estêvão Sumburane, Jussi Heinonen, Teofilo Gove. Kuva: Luomus / Arto Luttinen

Arto Luttinen (FT), vastuullinen tutkija

Sanni Turunen (FM), tutkijakoulutettava

Milla Aaltonen (LuK), maisteriopiskelija

 

Lisätietoa:

Tutkimusmatka Etelämantereelle 2007–2008 (Geologi)

Tutkimusmatka Mosambikiin 2012 (Geologi)

Maailman suurimmat laavapurkaukset (geologia.fi)

 

Tekstissä mainitut viitteet:

Heinonen, J.S. 2011. Geochemistry and petrology of the ferropicrite dikes and associated rocks of Vestfjella, western Dronning Maud Land, Antarctica. Väitöskirja, Department of Geosciences and Geography A9, Unigrafia, Helsinki, 50 s. https://helda.helsinki.fi/handle/10138/26267

Heinonen, J.S., Kurz, M.D. 2015. Low-3He/4He sublithospheric mantle source for the most magnesian magmas of the Karoo large igneous province. Earth and Planetary Science Letters 426:305–315. http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2015.06.030

Heinonen, J.S., Luttinen, A.V. 2013. Basalttijahdissa savannilla: Geologian museon tutkimusmatka Mosambikiin 20.8.-9.9.2012. Geologi 1, 6-16 .

Heinonen, J.S., Carlson, R.W., Luttinen, A.V. 2010. Isotopic (Sr, Nd, Pb, and Os) composition of highly magnesian dikes of Vestfjella, western Dronning Maud Land, Antarctica: A key to the origins of the Jurassic Karoo large igneous province? Chemical Geology 277:227–244. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemgeo.2010.08.004

Heinonen, J.S., Luttinen, A.V., Riley, T.R., Michallik, R.M. 2013. Mixed pyroxenite–peridotite sources for mafic and ultramafic dikes from the Antarctic segment of the Karoo continental flood basalt province. Lithos 177, 366-380. http://dx.doi.org/10.1016/j.lithos.2013.05.015

Heinonen, J.S., Carlson, R.W., Riley, T.R., Luttinen, A.V., Horan, M.F. 2014. Subduction-modified oceanic crust mixed with a depleted mantle reservoir in the sources of the Karoo continental flood basalt province. Earth and Planetary Science Letters 394, 229-241. http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2014.03.012

Heinonen, J.S., Jennings, E.S., Riley, T.R. 2015. Crystallisation temperatures of the most Mg-rich magmas of the Karoo LIP on the basis of Al-in-olivine thermometry. Chemical Geology 411, 26-35. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemgeo.2015.06.015

Heinonen, J.S., Luttinen, A.V., Bohrson, W.A. 2016. Enriched continental flood basalts from depleted mantle melts: modeling the lithospheric contamination of Karoo lavas from Antarctica. Contributions to Mineralogy and Petrology 171. http://dx.doi.org/10.1007/s00410-015-1214-8

Luttinen, A. 2000. Origin of Jurassic Vestfjella flood basalts, Dronning Maud Land, Antarctica. Väitöskirja, Helsingin yliopisto, Yliopistopaino, Helsinki, 106 s.

Luttinen, A. 2016. Coupling of mantle and flood basalt provinciality in continental rifts: example from Karoo-Ferrar LIP. Nordic Geological Winter Meeting, Abstracts.

Luttinen, A.V., Leat, P.T., Furnes, H. 2010. Björnnutane and Sembberget basalt lavas and the geochemical provinciality of Karoo magmatism in western Dronning Maud Land, Antarctica. Journal of Volcanology and Geothermal Research 198:1–18. http://dx.doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2010.07.011

Luttinen, A.V., Heinonen, J.S., Kurhila, M., Jourdan, F., Mänttäri, I., Vuori, S.K., Huhma, H. 2015. Depleted Mantle-sourced CFB Magmatism in the Jurassic Africa–Antarctica Rift: Petrology and 40Ar/39Ar and U/Pb Chronology of the Vestfjella Dyke Swarm, Dronning Maud Land, Antarctica. Journal of Petrology 56, 919-952. http://dx.doi.org/10.1093/petrology/egv022

Riley, T.R., Leat, P.T., Curtis, M.L., Millar, I.L., Duncan, R.A., Fazel, A. 2005. Early-Middle Jurassic dolerite dykes from Western Dronning Maud Land (Antarctica): Identifying mantle sources in the Karoo Large Igneous Province. Journal of Petrology 46:1489–1524. http://petrology.oxfordjournals.org/content/46/7/1489.abstract

Turunen, S., Luttinen A., Heinonen, J. 2015. Mantle reservoirs of Karoo flood basalts: New constraints from the Luenha picrites, Mozambique​. Goldschmidt Conference, Abstracts.

Vuori, S.K. 2004. Petrogenesis of the Jurassic gabbroic intrusions of Vestfjella, Dronning Maud Land, Antarctica. Väitöskirja, Helsingin yliopisto, Gummerus Kirjapaino Oy, Saarijärvi, 25 s.

 

Karoon laakiobasalttien jäänteitä pilkistää Etelämantereen jäätikön lomasta. Kuva: Luomus / Jussi HeinonenKaroon laakiobasalttien jäänteitä joenuomassa Mosambikissa. Kuva: Luomus / Jussi Heinonen
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sivun vastuuhenkilö: 
Luttinen, A.V.
29.3.2017