Erdmagnetfeldrekonstruktion mit Hilfe vulkanischer Gläser

Vertrauenswürdige paläomagnetische Daten, welche Information über die Richtung und Intensität des Erdmagnetfeldes beinhalten, sind nötig, um die zeitliche Entwicklung dieses Feldes zu verstehen. Die genaue Kenntnis der Erdmagnetfeldvariationen wiederum, ermöglicht es den aktuellen Fragestellungen bezüglich der Abnahme des erdmagnetischen Momentes während des letzten Jahrhunderts und den zugrunde liegenden Geodynamoprozessen nachzugehen. Zudem liefern diese Untersuchungen wichtige Randbedingungen für andere wissenschaftliche Disziplinen wie Geochronologie und Paläoklimatologie. Die Gewinnung zuverlässiger paläomagnetischer Daten, insbesondere der Paläointensität, wird jedoch durch verschiedenste Fehlerquellen erschwert. Zu diesen gehören Änderungen der Magnetomineralogie während des Laborversuchs oder auch der geologischen Vergangenheit, Anisotropie der magnetischen Remanenz, unterschiedliche Einflüsse des Domänenzustands auf den Remanenzerwerb zwischen natürlicher Magnetisierung und Laborversuchen, sowie unterschiedliche Abkühlungsgeschichten. Vulkanische Gläser erscheinen als hervorragende Speichermedien von vergangen Magnetfeldvariation, da sämtliche üblicherweise sehr schwer zu fassenden Fehlerquellen entweder nicht auftreten oder zumindest entdeckt und mit Hilfe von mineralogischen und gesteinsmagnetischen Faktoren korrigiert werden können. Üblicherweise zeichnen sich Gläser durch eine unverfälschte und thermisch stabile magnetische Aufzeichnung aus, die durch Einbereichsteilchen getragen wird, zwei Bedingungen, die bereits wichtige Fehlerquellen ausschließen. In enger Zusammenarbeit mit Vulkanologen werden mit Hilfe von kalorimetrischen Experimenten - "Relaxation Geospeedometry" - wichtige strukturelle Eigenschaften wie die Glasentstehung - "glass transition temperature" - und die primäre Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Für zuverlässige magnetische Aufzeichnungen müssen die Übergangstemperaturen zum festen Glas oberhalb der magnetischen Remanenzerwerbstemperatur liegen. Die Abhängigkeit des Magnetisierungserwerbs von der Abkühlgeschichte wird untersucht und erlaubt eine Extrapolation der unter Labormaßstäben erworbenen Magnetisierung hin zu den natürlichen Abkühlraten und somit eine Korrektur der Paläointensitätsbestimmungen. Im Rahmen dieses Projekts wird eine Sammlung verschiedenster vulkanischer Gläser untersucht, welche sich in Alter, Zusammensetzung, Fazies und Abkühlungsgeschichte unterscheiden. In Abhängigkeit dieser Bedingungen wird der möglicherweise ideale Charakter von Gläsern für die paläomagnetische Arbeit hinterfragt. Unsere bisherigen Ergebnisse bestätigen diese idealen Eigenschaften insbesondere für silikatische Gläser. Zuverlässige Daten konnten für derartige Gläser aus Italien, Spanien und Neuseeland gewonnen werden und diese liefern wichtige Feldinformationen von bisher schlecht untersuchten Zeitperioden und Regionen. Im Rahmen des weiteren Projektverlaufs werden die Untersuchungen auf viele weitere zum Teil schon zur Verfügung stehende Gläser ausgedehnt. Mit Hilfe unseres kombinierten petrophysikalischen/paläo-magnetischen Ansatzes werden wir in der Lage sein, den Einfluss verschiedenster mineralogischer und gesteinsmagnetischer Faktoren auf die Zuverlässigkeit der Bestimmung von Magnetfeldvektoren in verschiedensten vulkanischen Gläsern zu verifizieren, wichtige Daten, die auch für andere thermoremanente Aufzeichnungsmedien von Bedeutung sind. Im Rahmen dieses Projektes werden die Ergebnisse internationalen Datenbanken hinzugefügt und somit als essentielle Basis für Magnetfeldrekonstruktionen dienen. Zudem werden die sehr gut charakterisierten Proben dazu verwendet werden, die Analysetechniken, insbesondere der Intensitätsbestimmung, zu verfeinern.

Das übergeordnete Ziel des FWF Projekts P21221 Erdmagnetfeldrekonstruktion mit Hilfe vulkanischer Gläser ist es, unser Verständnis von geomagnetischen Feldvariationen der Erdvergangenheit zu verbessern - und zwar bezüglicher aller Aspekte beginnend vom Ursprung, über zeitliche Änderungen bis hin zu deren Konsequenzen. Um einen Beitrag zu diesen fundamentalen Fragestellungen zu leisten, wurden im Rahmen des Projekts vier Hauptziele definiert. Das erste Ziel umfasste die Untersuchung von gesteins- und paläomagnetischen Eigenschaften von vulkanischen Gläsern, um deren Eignung für geomagnetische Feldaufzeichnung zu überprüfen. Ein breiter wissenschaftlicher Forschungsansatz, der mineralogische, vulkanologische und magnetische Untersuchungstechniken beinhaltete wurde angewendet. Wir konnten eine Reihe von Mechanismen beschreiben die die weitgehend idealen Eigenschaften der Gläser negativ beeinflussen. Dabei fanden wir Möglichkeiten, diese Mechanismen zu erkennen und die Aufzeichnungen bezüglich deren Störungen zu korrigieren. Insgesamt drei Artikel (peer-review) wurden diesen Prozessen gewidmet. Nach der Überprüfung der Eignung von vulkanischen Gläsern war es ein weiteres Ziel, die Feldstärke des Erdmagnetfeldes der Vergangenheit zu rekonstruieren. Zu diesem Zweck wurde vulkanisches Material von verschiedensten Quellen verwendet. Gläser aus Teneriffa (Spanien), Island, Armenien und Neuseeland zeigten sehr gut definierte Aufzeichnungen der magnetischen Feldstärke. Diese Ergebnisse wurden in zwei zusätzlichen Artikeln veröffentlicht. Die Rekonstruktion des globalen geomagnetischen Felds war ein drittes Projektziel. Hierzu wurde eine iterative Inversionstechnik weiterentwickelt und auf Datensätze aus Island und der paläomagnetischen Datenbank angewendet. Obwohl die zeitliche und räumliche Verteilung von paläomagnetischen Daten immer noch schlecht ist, konnte ein aussagekräftiges Modell der Laschamp Feldexkursion vor 41 ka erstellt werden. Zwei Artikel erschienen zu diesem Thema. Abschließend beschäftigten wir uns mit der Verbesserung von paläomagnetischen Analysetechniken, im Besonderen um die Bestimmung der Paläofeldstärke zu verbessern. Wir entwickelten und testeten einen neuen experimentellen Ansatz, beschrieben dessen theoretische Grundlage und stellten Analyseroutinen zur Verfügung. Zudem arbeiteten wir an der Beschreibung von experimentellen Grundlagen bezüglich Korngröße und Abkühlgeschwindigkeiten. Zwei weitere Artikel befassen sich mit diesen Ergebnissen. Neben den Hauptzeilen konnten wir unsere Forschungsergebnisse und Methoden in weitere Forschungsfelder wie Archäologie und Vulkanologie einfließen lassen, die von unserer Arbeit deutlich profitierten, wie drei Artikel bestätigen.