Petsamon vihreäkivivyöhykkeen sedimenttisten karbonaattikivien hiili-isotooppikoostumus - lisätietoja hiilen muinaisesta kiertokulusta
Verrattuna siihen millaisena me maapallon tunnemme, varhainen maapallo oli hyvin erilainen. Arkeeisen (4-2,5 miljardia vuotta sitten) ja paleoproterotsooisen (2,5-1,6 miljardia vuotta sitten) maailmankauden rajalla maapallolla tapahtui suuria muutoksia ja ilmiöitä. Yksi näistä suurista tapahtumista oli ilmakehän happipitoisuuden huomattava nousu, jota on kutsuttu suureksi hapettumistapahtumaksi. Toinen merkittävä tapahtuma oli hiilen isotooppikoostumuksissa näkyvä suuri, maailmanlaajuinen häiriö hiilen kiertokulussa, jota on kutsuttu Lomagundi-Jatuli -isotooppitapahtumaksi.
Tämän Lomagundi-Jatuli -ilmiön aikana kerrostui karbonaattisedimenttejä, jotka ovat voimakkaasti rikastuneita hiilen C-13 -isotoopin suhteen. Yleensä tällaisten karbonaattisedimenttien kerrostuminen kuvastaa runsasta orgaanisen (eloperäisen) hiilen hautautumista ja hapen vapautumista. Tämän hiili-isotooppianomalian tarkka ajallinen ja kausaalinen yhteys suureen hapettumistapahtumaan on edelleen huonosti tunnettu.
Väitöskirjatutkimus antoi lisää tietoa Lomagundi-Jatuli -ilmiöstä sekä yleisestikin hiilen kiertokulusta varhaisella maapallolla. Yhtenä työn tavoitteena oli tutkia tarkemmin kahden Petsamon vihreäkivivyöhykkeen sedimenttimuodostuman (Kuetsjärvi ja Kolosjoki) hiili-isotooppikoostumuksen muutosta ajan suhteen. Lisäksi väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää Kuetsjärven muodostumassa esiintyvien, tavallisista sedimenteistä poikkeavien karbonaattisaostumien luonnetta. Kaikki tutkitut näytteet olivat peräisin kansainvälisen ICDP ohjelman FAR-DEEP -projektin tuottamista kairasydämistä.
Uudet tulokset täydentävät tietoamme hiilen kiertokulusta 2,3-1,9 miljardia vuotta sitten. Lomagundi-Jatuli -ilmiön taustalla vaikuttavien asioiden ymmärtämisen vuoksi on tärkeää tuntea tarkoin sedimenttien hiili-isotooppikoostumuksen kehitys kyseisenä aikana. Kuetsjärven sedimenttimuodostuman karbonaatit ovat kerrostuneet Lomagundi-Jatuli -ilmiön loppuvaiheessa. Tutkimuksen tulokset tukevat aiempaa käsitystä ilmiön maapallon laajuisesta luonteesta; kyse ei siis ole paikallisesti rajoittuneista tapahtumista. Kolosjoen sedimenttimuodostumasta saadut tulokset puolestaan antavat uutta tietoa Lomagundi-Jatuli -ilmiön jälkeisestä ajasta. Saatujen tulosten perusteella näyttää siltä, hiili-isotooppikoostumuksen evoluutio oli tuona aikana monimutkaisempi kuin olemme aikaisemmin luulleet.
Kuetsjärven muodostuman karbonaattisaostumat ovat todennäköisesti kerrostuneet kuumasta vedestä, joka sisälsi myös syvältä (maapallon kuoresta tai vaipasta) peräisin olevaa hiilidioksidia. Näitä saostumia voikin siten kutsua travertiineiksi. Nämä travertiinit kuuluvat maapallon varhaisimpiin. Näiden saostumien luonteen selvittäminen antoi lisätietoa Kuetsjärven muodostuman kerrostumisympäristöstä ja samalla myös Lomagundi-Jatuli -ilmiön aikana vaikuttaneista ympäristötekijöistä.Carbon isotope records of sedimentary carbonate rocks in the Pechenga belt, NW Russia: implications for the Precambrian carbon cycle
The Archean-Paleoproterozoic transition was a time of significant global environmental events. Among the greatest of these was the rise of atmospheric oxygen, known as the Great Oxidation Event. Another major event was a global perturbation in the carbon cycle, evidenced by a global positive δ13C excursion in Paleoproterozoic sedimentary carbonates, referred to as the Lomagundi-Jatuli Isotope Event (LJIE).
This PhD thesis focuses on the investigation of the LJIE and its aftermath. In addition, some of the earliest travertines on Earth were studied in detail. The research was based on samples of sedimentary carbonate rocks from the Pechenga Greenstone Belt, NW Russia, taken from three drillcores intersecting the Kuetsjärvi (KuSF) and Kolosjoki (KoSF) sedimentary formations. These cores were drilled during the ICDP FAR-DEEP project. The KuSF spans the time interval covering the LJIE and also includes various carbonate precipitates, which were likely deposited from thermal deep-sourced waters. The KoSF records the return to normal conditions in the aftermath of the LJIE.
The FAR-DEEP drillcore 5A from the KuSF yielded a generally upwards decreasing δ13C trend from ca. 8 to 5‰ (VPDB). This trend was interpreted as primary, as only the contact-altered samples show co-variation between the δ13C and δ18O values and the Mn/Sr ratios. An equivalent trend has previously been reported from another drillcore from the same formation. A combined secular δ13C curve for the KuSF was accordingly constructed based on the data from these two cores.
Combined δ13C data from two FAR-DEEP cores (8A and 8B) from the KoSF show a generally upwards increasing δ13C trend from ca. -2 to 3‰. Drillcore 8B shows δ13C values of between -2 and -1‰ in the Hematite member. Both cores show similar upwards increasing δ13C trends from ca. 1 to 3‰ in the Dolostone member. The Hematite and Dolostone members are separated from one another by the Ferropicrite member. The δ13C values from the Dolostone member are interpreted as primary. The preservation of primary δ13C values in the Hematite member is more difficult to establish, but there is no reason to suspect significant post-depositional alteration of the primary δ13C values.
Drillcore 5A from the KuSF contains post-depositional cavity and vein fills, and syn-depositional surficial dolomite crusts and cements. These carbonate precipitates commonly show lower δ13C values than their host carbonates, suggesting the presence of an external carbon source. The δ13C and δ18O values show positive co-variation in the precipitates and upwards increasing or decreasing trends in dolomite crusts. They also commonly show both upwards and downwards increasing trends from the cavity center. The observed co-variation and the δ13C and δ18O trends could indicate a thermal origin, mixing between different fluids, different water/rock ratios, downwards migration of thermal water and/or evaporation. Given the lack of evidence for high pCO2 soils, the most likely explanation for the formation of the cavities and carbonate precipitates is deep-sourced CO2. Geochemical and petrographic data (e.g. feather-shaped crystals) are also consistent with a thermal, deep-sourced origin. The carbonate fills, crusts and cements are interpreted as travertine and “cave travertine”.
The results of this PhD study show a generally upwards decreasing δ13C trend in the final part of the LJIE. This trend likely continued towards negative δ13C values, which was again followed by a positive δ13C shift. These δ13C results and published isotopic age data indicate that the LJIE was followed by a minimum in δ13C values before 2057 Ma. Precipitation of the inferred thermal travertines in the KuSF did not affect the δ13C values of the host dolostones and limestones
