Kuidas taastada sadade miljonite aastate vanuseid gloobuseid?

Aastal 1912 pakkus sakslane Alfred Wegener välja, et Maal olevad kontinendid on pidevas liikumises ning minevikus on nad võrreldes tänapäevaga paiknenud hoopis mujal, moodustades teatud ajahetkedel isegi suuri superkontinente. Sellest teooriast aga ei arvanud enamus geolooge antud ajahetkel midagi, kuna see tundus liiga vastuoluline olemasolevate tõekspidamistega. Kaks kümnendit peale Wegeneri surma, 1950-ndate aastate alguses, tekkis aga uus geofüüsikaline teadus - paleomagnetism, mis suutis lõpuks tema teooriat kinnitada ning pakkus võimaluse saada ettekujutus mineviku kontinentide paiknemisest. Alates sellest ajast on tehtud tohutus koguses uurimistööd ning taastatud miljoneid aastaid paleogeograafiat.

Mida aga kujutab endast paleomagnetism ning millega see tegeleb? Väga lihtsalt öeldes tegeleb see minevikus eksisteerinud Maa magnetväljade uurimisega. Kui aga vaadata asja veidi süvenenumalt, siis on tegemist ühe ütlemisi keerulise geofüüsikalise teadusega, mis, uurides kivimites olevaid magnetilisi mineraale, üritab taastada kontinentide paiknemist minevikus, et seeläbi mõista paremini Maal ning selle sisemuses toimuvaid protsesse. Kuidas aga on üldse võimalik, et uurides mõnda tänapäeva kivimit suudame me taastada selle paiknemise mõnes muus Maa punktis sadu või isegi miljardeid aastaid tagasi? Mis on see mis annab kividele sellised omadused?

Maa magnetväli

Esimene asi mida tuleb arvesse võtta on see, et Maal on magnetväli, mis mõjutab kõiki Maal eksisteerivaid kivimeid igal ajahetkel. Magnetväli ise on oma olemuselt kui dipoolne magnet (Joonis 1), kuigi, Maa tuumas eksisteerivad protsessid, mis magnetvälja genereerivad, on tavalisest magnetist kordi ja kordi keerulisemad.

Nende samade keerukate Maa tuuma protsesside tõttu on magnetvälja telgjoon alati pidevas liikumises. Sellest tingituna Maa pöörlemistelg ja magnetvälja telg ei ühti ehk siis kompass näitab tõelisest põhjasuunast alati veidi eemale. Erinevust pöörlemistelje ja magnetvälja vahel nimetatakse magnetiliseks deklinatsiooniks (Joonis 2). Deklinatsiooni väärtus on igas maapinna punktis erinev. Nii nagu igal teisel püsimagnetitel on ka Maa magnetväljal magnetilised jõujooned, mis ristuvad maapinnaga teatud nurga all, antud nurka nimetatakse magnetiliseks inklinatsiooniks (Joonis 2). Selle väärtus varieerub sõltuvalt laiuskraadist, olles poolustel maapinna suhtes vertikaalselt üles või alla (-90⁰/+90⁰) ning maapinnaga paralleelne ekvaatoril (0⁰). Magnetiline inklinatsioon ja deklinatsioon on paleomagnetismi põhiline mõõtmistest saadav tulemus.

Millised on magnetilised mineraalid?

Nüüd kui meil on ettekujutus Maa magnetvälja üldisest olemusest, siis tuleks vaadata ka mis on kivimites eneses, mis võimaldab neil säilitada miljoneid aastaid vana informatsiooni. Muidugi ei saa me teha paleomagnetismi uuringuid iga suvalise kiviga, see on ainult võimalik tänu kivimite omadusele omandada jääkmagnetiseeritust, juhul kui neis esinevad vastavad magnetilised mineraalid. See tähendab, et osades mineraalides on justkui kujuteldavad kompassinõelad, mis on lukustunud ja näitavad mineraali tekkeaegset põhjasuunda. Enamik neist mineraalidest on raua (ferrum) oksiidid, ning seetõttu nimetatakse neid ferromagneetikuteks.

Põhilised ferromagnetilised mineraalid mida paleomagnetismis uuritakse on magnetiit, hematiit, maghemiit, götiit. Neist kõige stabiilsemateks mineraalideks loetakse paleomagnetismi vaatevinklist magnetiiti ja hematiiti. Just neid mineraale püütakse uuringute käigus leida, kuna need kaks võivad kõige tõenäolisemalt oma algset jääkmagnetiseeritust kanda. Kui pärast kivimi moodustumist miljoneid aastaid hiljem juhtub mõni geoloogiline protsess algset kivimmaterjali keemiliselt muundama (algsed rauamineraalid kristalliseeruvad ümber uuteks ühenditeks, nt magnetiidist saab mullaprotsessides hematiit), siis omandab kivim sekundaarse magnetiseerituse, ehk me saame infot kivimit muutnud protsessi toimumise kohta. Näiteks uurides murenemiskoorikut on peamiselt tegemist sekundaarse magnetiseeritusega. Mida rohkem me ajas tagasi läheme seda keerulisemaks võib kujuneda kivimist „algsete“ andmete kätte saamine, kuna kõiksugused geoloogilised protsessid võivad alati muuta kivimite magnetilisi omadusi.

Kuidas tekib jääkmagentiseeritus?

Nüüd me teame, et Maa magnetväli on suuteline kivimites olevaid ferromagnetilisi mineraale pidevalt mõjutama ning neid teatud suunda rivistama. Kivimid ise võivad aga jääkmagnetiseerituse omandada mitmel erineval viisil.

Esiteks on kivimis alati magnetilisi mineraale mis kannavad viskoosset jääkmagnetiseeritust ehk magnetiseeritust mille kivim omandab aja jooksul magnetväljas olles ning mis on tänapäeva Maa magnetvälja suunaga.

Termaalse jääkmagnetiseerituse puhul omandavad tardkivimid jahtudes Maa magnetvälja suuna, jääkmagnetiseeritus võib säilida miljoneid aastaid ning tänu sellele on võimalik paleomagnetismiga varasemaid Maa magnetvälja asendeid taastada. Termaalne jääkmagnetiseeritus on põhiline algse jääkmagnetiseerituse allikas.

Keemiline jääkmagnetiseeritus on peamine sekundaarse jääkmagnetiseerituse põhjustaja ning see tähendab, et kivimis olevad magnetilised mineraalid kristalliseeruvad ümber teisteks raua ühenditeks kas vedelike läbivoolu või muude keemiliste protsesside tõttu.

Eestis, kui settekivimite maal, ei saa üle ega ümber ka detriitsest jääkmagnetiseeritusest, kus setetes olevad magnetilised osakesed võivad omandada vastaval ajahetkel eksisteeriva Maa magnetvälja suuna.

Kivimeid uurides peame me aga üldjuhul tegelema mitut tüüpi jääkmagnetiseerituse „seguga“ kus oluline info on raskesti eristatav. Seetõttu on oluline eristada, mis mineraalidega meil uuritavas kivimis tegemist on, misläbi saame teada, kas antud kivim on suuteline kandma tekkeaegse jääkmagnetiseerituse suunda või mõõdame hoopis tekkejärgseid protsesse.

Mõõtmiste teostamine

Niisiis võib laialdaselt leida kivimeid, milles on säilinud mitmesugust jääkmagnetiseeritust. Kui me tahame mõnda kiviformatsiooni aga lähemalt uurida, siis esiteks tuleb meil minna välitöödele proove võtma. Paleomagnetismis üldjuhul uuritakse väikeseid silindrikujulisi kivimiproove, mis on välja lõigatud pikematest kivimist puuritud südamikest (Joonis 3). Antud proovid on standardsuuruses, mille järgi on valmistatud mitmed kivimimagnetismi uurimiseks loodud aparaadid.

Kui proovid on olemas, siis saame alustuseks teha üksikute proovide mõõtmisi erinevate kivimagnetismi uurivate aparaatidega, et määrata ära meie proovides esinevad magnetilised mineraalid ja nende omadused ning seeläbi täpsemalt plaanida, millisel viisil me hakkame kivimites olevat jääkmagnetiseeritust hävitama ehk demagnetiseerima. Sõltuvalt kivimi üldisest mineraalsest koostisest ning selles sisalduvatest magnetilistest mineraalidest saame me kivimis olevat jääkmagnetiseeritust hävitada kahel viisil:

1. Termaalne demagnetiseerimine - Tulenevalt magnetiliste mineraalide füüsikalistest omadustest saame me seda teha kas siis proove ahjus kuumutades ning temperatuuri aste astmelt tõstes (rauamineraalidel on erinevad Curie temperatuurid, kus nende jääkmagnetiseeritus kaob elektronides toimuvate muutuste tõttu)
2. Vahelduvväljas demagnetiseerimine - või pannes proovid väga tugevate magnetite poolt tekitatud magnetvälja ning seda magnetvälja tugevust aste astmelt tõstes (rauamineraalid on tekitatud magnetvälja suhtes erineva tugevusega ning nende jääkmagnetiseeritus kaob lõplikult vaid omasele vastava tekitatud magnetvälja tugevuse juures).

Tulenevalt oma omadustest uuritakse näiteks magnetiiti sisaldavaid proove üldjuhul tekitatud magnetväljas ning näiteks hematiiti saab üldjuhul uurida ainult proove ahjus kuumutades. Pärast iga demagnetiseerimise astet mõõdetakse kivimis järelejäänud magnetiseerituse parameetrid, seda seni, kuni kogu kivimi magnetiseeritus on hävitatud. Lõpuks, kui meil on olemas kümnete või sadade proovide mõõtmiste tulemused, saame me statistikat ja spetsiaalseid programme kasutades paigutada meie proovid mingile teisele ajahetkele Maa ajaloos teises geograafilises punktis.

Murekoorik

Pärast kõike seda juttu saame me lõpuks veidi rääkida ka siis murenemiskoorikust. Tegemist on mineraloogiliselt väga mitmekülgse kivimmaterjaliga ning paleomagnetismi vaatevinklist on tulemusi väga raske interpreteerida. Peamised magnetilised mineraalid mida me leiame on hematiit, maghemiit ja magnetiit. Meile kõige huvipakkuvam on seejuures hematiit, kuna see on kõigi eelduste kohaselt tekkinud murenemiskooriku moodustanud protsesside toimumise ajal ning võiks meile anda Baltika laama asendi parameetrid vastaval ajahetkel. Kui vahelduvväljas demagnetiseerides  saame me hematiidi magnetismi kohta vähest infot (enamikes aparaatides olevad magnetid ei suuda tekitada piisavalt tugevat magnetvälja, et hematiit täielikult demagnetiseerida), siis üldjuhul ahjus kuumutades (kuni 700℃ kraadini) on võimalik hematiidi magnetiseeritus hävitada. Kahjuks aga murenemiskooriku puhul, tulenevalt selle mineraloogilisest koostisest, hakkavad proovides enne 400℃ kraadini jõudmist toimuma mineraloogilised muutused ning algsed magnetilised mineraalid muunduvad uuteks ühenditeks ja proovides olev algne informatsioon hävineb.

Seega hetke seisuga ei saa veel endiselt kindlalt väita, kus siis ikkagi Baltika laam murenemiskooriku tekkeajal paiknes ning tõenäoliselt tuleb teha mõningasi täiendavaid uuringuid kas siis olemasoleva või uue kivimmaterjaliga.

Kasutatud kirjandus:

Mussett, A.E and Khan, M.A, 2009, Looking into the Earth, An introduction to geological geophysics, Cambridge University Press, 470 pp.

Tauxe, L., 2010, Essentials of Paleomagnetism, University of California Press, 489 pp.

Autor: 

Siim Ots (siim.ots@ut.ee) ˗ Tartu Ülikooli geoloogia osakond, Ravila 14A, 50411 Tartu

Toimetas: Lauri Joosu