Geomagnetische Feldumkehrungen: Morphologie und Konsequenzen

Im letzten Jahrhundert verlor das geomagnetische Feld mehr als 10% seiner Stärke. Die Gründe und Folgen dieser Abnahme sind bis heute nicht eindeutig bekannt. Eine mögliche Hypothese besagt, dass das geomagnetische Feld seine Polarität umkehren werde. Solche Polumkehrungen sind in der Erdgeschichte keine Seltenheit; in den letzten 5 Ma fanden sie etwa alle 200 000 Jahre statt, die letzte liegt aber bereits 780 000 Jahre zurück. Unser Projektschwerpunkt ist die Erforschung von Polumkehrungen aus der jüngeren Vergangenheit, um neue Erkenntnisse über die Variationen des geomagnetischen Vektors (Richtung und Stärke des Feldes) während dieser Zeit zu gewinnen. Gewisse geologische/physikalische Voraussetzungen müssen dafür gegeben sein: 1) das Gestein erhält eine stabile remanente Magnetisierung bei seiner Entstehung (Paläomagnetismus), 2) diese Information wurde über die Zeit nicht wesentlich verändert und 3) die Rekonstruktion von Richtung und Intensität des Feldes muss möglich sein. Diese Anforderungen werden von Vulkaniten erfüllt. Zusätzlich ist eine gute zeitliche Auflösung unerlässlich, weshalb Ergussgesteine, die typischerweise während der Schild- Phase von Hot-Spot Vulkanen auftreten, am besten geeignet sind. Eine detaillierte und gut datierte Abfolge von Vulkaniten kann somit Informationen über sämtliche Stadien einer Polumkehrung beinhalten. Hier werden drei vulkanische Sequenzen projektiert: 1) Die österreichische Vulkanregion um den Schildvulkan Gleichenberg, Steiermark, sowie die Hot-Spot Vulkaninseln 2) St. Helena (südlichen Hemisphäre) und 3) die Kap Verden (nördliche Hemisphäre). In allen Regionen finden sich pleistozäne bis miozäne Abfolgen mit vergleichbaren, magmatischen Gesteinen, gekennzeichnet durch hohe Extrusionsraten. Die Aufschlussqualität ist hervorragend, wobei bis dato keine Studien mit vollständigen Vektordaten durchgeführt wurden. Ein weiterer Fokus wird auf der globalen Interpretation der neugewonnenen Polumkehrungsdaten liegen. Eine detaillierte Rekonstruktion der Entwicklung des globalen Erdmagnetfeldes ist vor allem wegen der schlechten räumlichen und zeitlichen Verteilung paläomagnetsicher Aufzeichnungen noch nicht möglich, wobei durch Vorhaben wie unseres die Datenmenge ständig wächst. Wir möchten zusätzlich neue Ideen und Ansätze entwickeln, um eine Verbesserung der bisherigen paläomagnetischen Inversionstechnik zur Erstellung globaler Erdmagnetfeldmodelle zu erreichen (Leonhardt und Fabian, 2007). Die Anwendung von Inversionsverfahren auf Polumkehrungen, sowie der Vergleich unterschiedlicher Umkehrungen sind für das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse unverzichtbar. Verbesserte globale Erdmagnetfeldmodelle von Polumkehrungen (und Exkursionen) sind auch für andere Gebiete von großem Interesse, da die Auswirkungen von Sonnenstürmen sowie die Radionuklidproduktion in der Atmosphäre von Morphologie und Stärke des Erdmagnetfelds abhängen.

Die Untersuchung des Auftretens, der Morphologie und der Folgen von Erdmagnetfeldumkehrungen ist das primäre Ziel dieses Projekts. Im Rahmen eines FWF-Antrags (P30523-N29) untersuchten wir geomagnetische Zustände während Feldumkehrungen an drei Standorten: in der Steiermark (Österreich), São Nicolau (Cabo Verde) und St. Helena. Das erste Ziel für die paläomagnetische Suche nach Zwischenfeldrichtungen waren die pleistozänen und pliozänen Vulkanite aus Südostösterreich (Steiermark). Acht pliozäne Vulkane wurden beprobt, von denen vier Paläorichtungen und Intensitäten in dem Bereich lieferten, der von einem Dipolfeld erwartet wird. Die verbleibenden 4 Vulkane haben niedrige Paläo-Inklinationen und -Intensitäten. Während der kurzen Eruptionsaktivität dieser Vulkane wurde eine Übergangskonfiguration des geomagnetischen Feldes aufgezeichnet. Zwei neue 39Ar-40Ar-Zeitalter erlauben die Korrelation der steirischen Übergangsrichtungen mit Cryptochron C2r.2r-1 der geomagnetischen Polaritäts-Zeitskala. Da ein Kryptochron eine kurze Dauer von weniger als 10 bis 30 ka hat, sind mindestens 4 der untersuchten 8 steirischen Vulkane in einem viel kürzeren Zeitintervall entstanden als bisher angenommen. Die Ergebnisse wurden hier veröffentlicht: https://doi.org/10.1186/s40623-021-01518-w. Die zweite Probenahmekampagne wurde im Oktober 2018 auf der Insel São Nicolau (Kap Verden) durchgeführt. Die Insel ist aus Basalten überwiegend aus dem späten Miozän bis zum Pleistozän aufgebaut. Wir haben drei vielversprechende Abschnitte mit Feldumkehrung beprobt, konnten aber keine Übergangsrichtungen gefunden. Eine Veröffentlichung zur säkularen Variation ist in Vorbereitung. Schließlich wurde eine dritte Probenahmekampagne auf St. Helena durchgeführt. Wir haben einen Abschnitt, der bereits von unseren Mitarbeitern in Liverpool untersucht wurde und in dem ein Feldwechsel aufgezeichnet ist, detailliert beprobt und erweitert. Zusätzlich wurde ein weiterer Abschnitt mit gemischter Polarität beprobt. Die meisten der erhaltenen Paläointensitäten sind erheblich niedriger als die heutige Dipolfeldintensität. Während des Polaritätswechsels ist scheinbar kein Abfall der Feldstärke vorhanden.