Jänisjärven törmäysrakenteen paleomagnetismi ja petrofysiikka Baltica osa supermanner Rodiniaa? J. Salminen, F. Donadini ja L.J. Pesonen Geofysiikan osasto, Helsingin yliopisto, johanna.m.salminen@helsinki.fi Abstract Paleomagnetic reconstructions of continents are often hampered by the lack of dated poles for key intervals. Impact rocks can occasionally provide a solution to the problem since they can be accurately dated and they often yield reliable paleomagnetic data. We present paleomagnetic and rock magnetic data for Baltica derived from the Jänisjärvi impact structure, Russian Karelia. Isotopic datings ( 40 Ar 39 Ar, 40 K 40 Ar) yield an age ca. 700 Ma for this impact event. The a.f. demagnetization of the samples is able to isolate a stable remanence component (component C) in the impactites (tagamites, suevites and breccias). The same component was also identified in several Svecofennian (ca.1.9 Ga) target rocks on and near the shoreline of Lake Jänisjärvi. The target rocks retained also a primary Svecofennian component. Demagnetization data, coupled with rock magnetic results, suggest that the component C, of dual polarity, is primary and either of thermal or thermochemical origin. The remanent magnetization direction from 16 sites is D = 74º, I = 72º (alfa95 = 2.1º). This yields a pole position Plat. = 54ºN, Plon. = 96ºE (A95 = 3.5º) which places Baltica to 60ºS paleolatitude at 700 Ma. The Late Precambrian reconstruction based on the data from the Jänisjärvi impact structure will be presented. 1. JOHDANTO Impaktirakenteiden tutkimuksella on useita sovelluksia. Esimerkiksi törmäysrakenteen stratigrafian avulla törmäystapahtuma on kyetty linkittämään ainakin yhteen massatuhoon (Alvarez et al., 1980). Törmäyksen dynamiikan tutkiminen puolestaan on hyödyllistä ennustettaessa meteoriittitörmäyksien aiheuttamia tuhoja. Paleomagnetismi hyödyntää impaktikivien (impaktiittien) usein stabiilia termoremanenttia magnetoitumaa (esim. Pesonen et al. 1992; Järvelä et al., 1995) mm. muinaisten mannerliikkeiden tutkimisessa ja näennäisten napavaelluskäyrien (APWP) määrittämisessä. Tässä työssä esitämme impaktiittien ja kohdekivien petrofysikaalista dataa tarkoituksenamme tutkia törmäysshokin vaikutusta alueen kiviin. Sen lisäksi esitämme kivimagneettista dataa, jonka perusteella ferrimagneettiset mineraalit ja magneettisuuden stabiilius identifioitiin. Paleomagneettisten tulosten avulla pohdimme Baltican sijaintia geologisen ajan kuluessa. 207
2. MAANTIETEELLINEN SIJAINTI JA GEOLOGIA Jänisjärven törmäysrakenne sijaitsee Venäjän Karjalassa Fennoskandian kilven kaakkoisosassa (arvioitu keskipiste: 61 58 N, 30 58 E), noin 220 km Pietarista pohjoiseen ja 30 km Värtsilästä kaakkoon (Kuva 1). Törmäysrakenteen halkaisija on nykyisessä eroosiotasossa noin 15 km ja sen iäksi on isotooppiajoituksilla määritetty noin 700 Ma ( 40 Ar 39 Ar, Müller at al., 1990; 40 K 40 Ar, Masaitis et al, 1976). Kuva 1. Eroosion kuluttama Jänisjärven törmäysrakenne avaruudesta tarkasteltuna. Satelliittikuvissa ei ole havaittavissa kraatterille ominaisia piirteitä, esim. kraatterin topografista kehää, joka on hahmoteltu b kuvaan. a) Suomessa talvella vastaanotettu ESSA 8 sääsatelliitin ottama kuva (muokattu Saarnisto, 1984, perusteella). b) Kesällä ERS 1 satelliitin ottama kuva Jänisjärven törmäysrakenteesta (muokattu Harris, 2003 perusteella, 2003 The European Space Agency). Jänisjärven rannan kohdekivet kuuluvat Laatokkasarjan proterotsooisiin Naatselän ja Pälkjärven liuskemuodostumiin. Järven ympärille laajalle levinnyt liuske on törmäysshokin vaikutuksesta rakoillutta. Jänisjärven impaktiitit: törmäyssulat, sueviitit ja breksiat, ovat paljastuneet vain järven keskellä olevilla saarilla (Iso Selkäsaari, Pieni Selkäsaari ja Hopeasaari) ja lounaisrannan Leppiniemellä (Masaitis, 1999). 3. NÄYTTEET JA MITTAUKSET Yhteensä 54 nyrkkinäytettä, joista 51 suunnattua, otettiin vuosien 1997 ja 2003 kenttäkausien aikana. Näytteiden petrofysikaaliset ja paleomagneettiset mittaukset tehtiin pääosin Geologian tutkimuskeskuksessa (GTK, Espoo). Osa näytteistä mitattiin Helsingin yliopiston (HY) kiinteän maan geofysiikan laboratoriossa. Kivimagneettiset mittaukset (suskeptibiliteetin lämpötilariippuvuus ja hysteresisominaisuudet) tehtiin HY:ssa (Salminen, 2004 ja lähteet siellä). 4. TULOKSET 4.1. PETROFYSIIKKA Törmäystapahtuman vaikutus tulee esille verrattaessa impaktiittien ja kohdekivien petrofysikaalisia ominaisuuksia (huokoisuus, tiheys, NRM, suskeptibiliteetti ja Q arvo; 208
Taulukko 1). Impaktiiteilla on korkeampi huokoisuus ja näin ollen pienempi tiheys kuin vahingoittumattomalla kohdekivellä. Kuitenkin verrattaessa kivien magneettisia ominaisuuksia (suskeptibiliteetti ja NRM) huomataan, että törmäystapahtuma ei ole juurikaan muuttanut niitä, ainoastaan törmäyssulan magneettiset ominaisuudet poikkeavat muista. Petrofysikaaliset ominaisuudet eroavat toisistaan myös impaktiittien välillä. Esimerkiksi törmäyssulilla on pienempi huokoisuus ja kertaluokkaa korkeammat magneettisuuden arvot kuin muilla impaktiiteilla. Tarkasteltaessa petrofysikaalisia ominaisuuksia radiaalisen etäisyyden funktiona, huomataan törmäyksen aiheuttamien muutoksien vähenevän siirryttäessä kauemmaksi törmäyskohdasta. Tämä käy ilmi esim. siten, että huokoisuus pienenee siirryttäessä kauemmaksi törmäyskohdasta (ks. Salminen et al., 2005). Taulukko 1. Jänisjärven törmäysrakenteen petrofysiikka. Kivityyppi D [kgm 3 ] P [%] K [10 6 SI] J 0 [mam 1 ] Q Impaktiitit Törmäyssulat 2569 2,8 3074 265 2,2 Breksiat 2536 5,0 535 34 1,2 Sueviitit 2540 7,2 514 18 0,9 Rakoilleet kohdekivet 2484 7,1 215 2 0,2 Rakoilemattomat kohdekivet Liuskeet 2782 0,3 378 5 0,2 Graniitti/gneissi/ dioriitti 2758 0,7 960 19 1,0 D = tiheys; P = huokoisuus; K = suskeptibiliteetti; J 0 = NRM intensiteetti; Q = Königsbergerin suhde. Salminen (2004) on esittänyt tuloksiin liittyvät virherajat ja näytteiden lukumäärät. 4.2. KIVIMAGNETISMI Termomagneettisten (Curie pisteet) ja hysteresisominaisuuksien mittausten perusteella ferromagneettiseksi mineraaliksi identifioitiin PSD (pseudo single domain) luokkaan kuuluva magnetiitti (Kuva 2) ja jokin matalamman lämpötilan mineraali esim. titanomagnetiitti. Kuva 2. Kivimagneettisia mittauksia Jänisjärven törmäysrakenteen törmäyssulista. a) Termomagneettinen käyrä, jonka tulkittiin osoittavan lähes puhdasta magnetiittia. b) Törmäyssulanäytteen hysteresiskäyrä osoittaa magneettisten domaininen kuuluvan PSD (Pseudo Single Domain) luokkaan. 4.3. PALEOMAGNETISMI 209
Paleomagneettisessa tarkastelussa impaktiiteista erotettiin selkeästi komponentti C (Kuva 3), jonka antaman paleomagneettisen navan (Plat. = 54ºN, Plon. = 96ºE, A95 = 3.5º) iäksi saatiin noin 500 Ma vertaamalla sitä Baltican näennäiseen napavaelluskäyrään (Torsvik et al., 1996, Kuva 4). Sama komponentti erotettiin myös kohdekivistä. Kuva 3. Esimerkkejä vaihtovirtademagnetoinnin seurauksena impaktiiteista erotetusta C komponentista. a) stereokuva, PEF = Maan nykyisen magneettikentän suunta Jänisjärven alueella, b) intensiteetin pienenemiskäyrä, c) ortogonaaliset vektorikuvaajat; avoimet symbolit = dataa N S vs. E W projektiolla; suljetut symbolit = dataa N S vs. ylös alas projektiolla. Kuva 4. Jänisjärven törmäysrakenteen kivinäytteiden antamia paleonapoja (B ja C) verrataan Baltican näennäiseen napavaelluskäyrään (Torsvik et al., 1996). Kehät napojen ympärillä osoittavat navan virherajat. Koska Fennoskandian kilven tiedetään kallistuneen noin 3 itä länsisuuntaisen akselin suhteen, on neliöllä merkittyä napaa kallistettu 3 astetta etelään päin. Napa C on impaktiiteista erotetun C komponentin avulla laskettu napa. Komponentin uskotaan syntyneen törmäyksen johdosta kuumenneen kiviaineksen jäähtyessä. Napa asettuu Baltican ikäkalibroidulla näennäisellä napavaelluskäyrällä kuitenkin lähelle n. 500 Ma napoja. Fennoskandian kilven kallistuminen etelään päin ei selitä navan poikkeamista n. 700 Ma referenssinavasta. Kohdekivistä ja impaktiiteista erotettiin toinenkin yhteinen komponentti (B), jonka iäksi saatiin noin 400 Ma (Kuva 4). Tämän komponentin alkuperää ja merkitystä ei kuitenkaan vielä tiedetä. Kohdekivistä erotettiin selkeästi myös Svekofennisen orogenian aikoihin syntynyt komponentti (ikä noin 1,9 Ga). 210
4.4 PALEOINTENSITEETTI Paleointensiteettimittauksia varten valittiin 18 magneettisesti stabiilia törmäyssulanäytettä, jotka osoittivat hyviä kivimagneettisia ominaisuuksia. Mitatuista näytteistä yhdeksässä tapauksessa saatiin hyviä tuloksia. Näytteiden intensiteetin keskiarvo on 68,71 ± 7,60 T. Verrattaessa tuloksia käytettävissä olevaan maailmanlaajuiseen paleointensiteettitietokantaan huomataan, että intensiteetin arvot ovat huomattavasti korkeampia, kuin muut 700 Ma ja 500 Ma lukemat. 5. POHDINTA JA YHTEENVETO Jänisjärven törmäysrakenteen impaktiittien petrofysikaaliset ominaisuudet, erityisesti huokoisuus, eroavat selkeästi kohdekivien petrofysikaalisista ominaisuuksista, mikä on tunnusomaista törmäysrakenteiden kiville. Nämä tulokset yhdessä törmäysrakenteen morfologian kanssa selittävät geofysikaalisissa tutkimuksissa havaitut painovoimaminimit (Elo et al., 2000). Suskeptibiliteetin ja remanentin magnetoituman arvot vaihtelevat huomattavasti Jänisjärven kivissä, ollen kuitenkin kaikissa hyvin alhaisia. Impaktiittien heikko magneettinen luonne saattaa selittää Jänisjärven magneettista karttaa luonnehtivan tasaisen, lähes anomaliattoman, negatiivisen magneettisen reliefin (Elo et al, 2000). Kivimagneettisten tutkimusten perusteella magneettisiksi mineraaleiksi identifioitiin PSDluokan magnetiitti ja todennäköisesti jokin matalamman lämpötilan titanomagnetiitti. Magnetiitti takaa yleensä magneettisen stabiiliuden ja näin ollen hyvät paleomagneettiset tulokset. Paleointensiteettimittauksissa havaittiin, että törmäyssulanäytteiden paleointensiteetti on huomattavasti korkeampi kuin muiden tietokannassa olevien näytteiden arvot. Yksi selitys tähän huomattavaan eroon on vertailunäytteiden vähyys. Törmäyskivistä erotetun C komponentin, uskotaan syntyneen törmäyksen johdosta kuumenneen kiviaineksen jäähtyessä. Tästä komponentista lasketun paleomagneettisen navan ikä (noin 500 Ma) on selvästi pienempi kuin isotooppimenetelmällä saatu ikä (noin 700 Ma). Napa vie Baltican leveysasteelle 60ºS. Kivien raekoon pienuus tukee ajatusta nopeasta jäähtymisestä (Sazonova, 1983), joten jäähtymisen hitaus ei ole syynä havaittuun paleomagneettisen ja radiometrisen iän poikkeamaan. Tässä työssä tutkittiin ja pois suljettiin myös paleosekulaarivariaatiosta ja mahdollisesta törmäyksen jälkeisestä kallistumasta johtuvat virheet paleomagneettisen navan asemassa. Fennoskandian kilven tiedetään kallistuneen hieman, arviolta < 3 (Viktor Masaitis, Martti Lehtinen ja Tapani Rämö, 2004, henkilökohtainen tiedonanto), itä länsisuuntaisen akselin suhteen. Kuvasta 4 havaitaan, ettei kolmen asteen kallistuminen ratkaisen ongelmaa. Baltican näennäisen napavaelluskäyrän kalibroimiseen ei kuitenkaan ole ollut käytössä 700 Ma ikäisiä muodostumia (Torsvik et al., 1996). Ehkäpä Jänisjärven paleomagneettiset tulokset tarjoavat mahdollisuuden kalibroida Balticalle uuden APWP:n. Ennen sitä olisi kuitenkin tärkeää varmistaa Jänisjärven törmäyssulan radiometrinen ikä. LÄHTEET Alvarez, L. W., W. Alvarez, F. Asaro and H. V. Michel, 1980. Extraterrestrial cause for the Cretaceous Tertiary extinction. Science, 208, 1095 1108. 211
Elo, S., L. Zhdanova, A. Chepik, L. J. Pesonen, N. Philippov, and A. Shelemotov, 2000. Comparative geophysical description and modelling of Lappajärvi and Jänisjärvi structures, Fennoscandian shield. In: Plado, J. & Pesonen, L. J. (eds.): Meteorite impacts in Precambrian shields. Programme and abstracts, the 4 th Workshop of European Science Foundation Impact Programme, Lappajärvi Karikkoselkä Sääksjärvi, Finland, May 24 28, 2000. Geological Survey of Finland and University of Helsinki, p. 35. Harris, R. A. (toim.), 2003. ERS synthetic aperture radar imaging of impact craters. The European Space Agency, Netherlands, p. 39. Järvelä, J., L. J. Pesonen and H. Pietarinen, 1995. On paleomanetism and petrophysics of the Iso Naakkima impact structure, southeastern Finland. Geological Survey of Finland, Report Q19/29.1/3232/95/1, 43 pp. Masaitis V.L., A. S. Sindeev, and Yu. G. Staritsky, 1976. The impactites of the Janisjarvi astrobleme (in Russian). Meteoritika, 35, 103 110. Masaitis, V. L., 1999. Impact structures of northeastern Eurasia: The territories of Russia and adjacent countries. Meteorit. Planet. Sci., 34, 691 771. Müller, N., J. B. Hartung, E. K. Jessberger and W. U. Reimold, 1990. 40 Ar 39 Ar ages of Dellen, Jänisjärvi, and Sääksjärvi impact craters. Meteoritics, 25, 1 10. Pesonen, L.J., Marcos, N., & Pipping, F., 1992. Paleomagnetism of the Lappajärvi impact structure, western Finland. Tectonophysics, 216, 123 142. Saarnisto, M., 2003. Karjala veden peitossa. Itämeren vaiheet. Teoksessa: Saarnisto, M., (toim.). Viipurin läänin historia I, Karjalan synty, Gummerus kirjapaino Oy, 51 64. Salminen, J., 2004. Jänisjärven törmäysrakenteen petrofysikka ja paleomagnetismi. Pro gradu työ, Helsingin yliopisto, FTL, Geofysiikan osasto, 155 p. Salminen, J., T. Öhman ja L. J. Pesonen, 2005. Törmäyskivien huokoisuus avain kraatterien synnyn ja kehityksen ymmärtämiseen? XXII Geofysiikan päivät, Helsinki, 19. 20.5. (tämä julkaisu) Sazonova, L. V., 1983. Structure of melt impactites as a reflection on the conditions of impact melt cooling (exemplified by the Yanisyarvi meteorite crater). Moscow University Geology Bulletin, 38, 1, 39 45. Torsvik, T.H., M. A. Smethurst, J. G. Meert, R. Van der Voo, W. S. McKerrow, M. D. Brasier, B. A. Sturt, and H. J. Walderhaug, 1996. Continental break up and collision in the Neoproterozoic and Paleozoic A tale of Baltica and Laurentia. Earth Science Reviews, 40, 229 258. 212