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Paläo- und Umweltmagnetik (PUM)

 

Was ist Paläomagnetik?

Eine kardanisch aufgehängte Kompaßnadel pendelt sich in Bayreuth mit etwa 66° aus der Horizontalen mit ihrem magnetischen Nordende nach unten und nach geographisch Nord zeigend ein, am Äquator ist die Neigung der Kompaßnadel 0°, mit zunehmender südlicher Breite zeigt die Kompaßnadel zunehmend nach oben, an den Polen steht sie lotrecht. Die Kompaßnadel richtet sich stets parallel zu den Linien gleicher Kraftwirkung, den Feldlinien, des Erdmagnetfeldes aus, und zeigt uns dessen strenge Abhängigkeit von der geographischen Breite, jedoch seine Unabhängigkeit von der geographischen Länge.

Der Ursprung des Erdmagnetfeldes wird in Dynamoprozessen gesehen, die im flüssigen äußeren Kern der Erde ablaufen und vom Temperaturgradienten im Kern und der Eigenrotation der Erde getrieben werden. Das so erzeugte Magnetfeld läßt sich vereinfacht durch die Wirkung eines geozentrischen, axialen magnetischen Dipols beschreiben, dessen Achse im Mittel über Jahrtausende der Erdrotationsachse parallel ist. Das Magnetfeld der Erde wird heutzutage von einem weltweiten Netz geomagnetischer Observatorien an der Erdoberfläche und von Satelliten vom Weltraum aus beobachtet. Diese Beobachtungen charakterisieren das Erdmagnetfeld als Überlagerung eines Dipolfeldes (ca. 90%) durch Nicht-Dipolfelder. Dipolfeld und Nicht-Dipolfelder sind zeitlich nicht konstant.

 

Das Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld der Erde

 

Gesteine sind in der Lage, unter bestimmten Bedingungen Intensität und Richtung des Erdmagnetfeldes zu erfassen und über geologische Zeiträume als remanente Magnetisierung zu konservieren. Aufgezeichnet wird das Erdmagnetfeld von magnetischen Mineralen, die in magmatischen Gesteinen bei Unterschreitung einer mineralspezifischen Temperatur permanent magnetische Eigenschaften erwerben und sich mit ihrem Dipolmoment am Erdmagnetfeld orientieren (thermische Remanenz). Bei der Bildung von Sedimentgesteinen werden vorhandene magnetische Mineralpartikel im Erdmagnetfeld eingeregelt (detritische Remanenz) und neue magnetische Minerale bei chemisch/biologischen Prozessen mit ihrem Dipolmoment parallel zum Erdmagnetfeld aufgebaut (chemische Remanenz). Die Fähigkeit der Gesteine sich an vergangene Magnetfelder ‚zu erinnern' wird als Paläomagnetismus bezeichnet. Die Gesteine sind Archive der sich im Laufe der Erdgeschichte ändernden Umweltbedingungen und liefern uns so auch fossile Abbilder des Magnetfeldes der Erde. Die Untersuchung des Paläo-Erdmagnetfeldes durch Analyse der remanenten Magnetisierung von Gesteinen ist Gegenstand der Paläomagnetik.

 

Umweltmagnetik

Ein wichtiger Parameter für geomagnetische Untersuchungen ist die magnetische Suszeptibilität (gibt die Magnetisierbarkeit von Materie in einem externen Magnetfeld an) . Mit Hilfe der Umweltmagnetik können beispielsweise Paläoböden-/Löss-Sequenzen identifiziert werden, da die magnetische Suszeptibilität von Böden viel höher ist als die von Löss und die magnetischen Mineraleigenschaften im Zuge der Bodenbildung durch Verwitterungsprozesse erheblich beeinflusst werden. Die erhöhte magnetische Suszeptibilität in Böden im Gegensatz zum unverwitterten Substrat liegt in der pedogenen als auch in der magnetotakten bakteriellen Bildung von ferromangetischen Mineralen begründet.

 

Proben für die Messung der Suszeptibilität

Sedimentproben zur Messung der Magnetischen Suszeptibilität.

 

 

Geomagnetische Grundlagen

Eisen ist nach Sauerstoff, Silizium und Aluminium eines der am häufigsten vorkommenden Elemente der kontinentalen Erdkruste und verleiht bestimmten Mineralen in Fest- und Lockergesteinen sowie Böden magnetische Eigenschaften. In Böden reichert es sich in Form von Oxiden in manchen Bodenhorizonten (z. B. im Bs-Horizont von Podsolen sowie im Go-Horizont von Gleyen), in Rostflecken und Eisenkonkretionen von redoximorphen Böden sowie in Ferralsolen an. Die Bildung der Eisenoxide ist abhängig von Umweltbedingungen und variiert in Raum und Zeit. Eine Besonderheit der Eisenoxide ist die Fähigkeit sich an Magnetfelder der erdgeschichtlichen Vergangenheit zu erinnern. Vergleichbar mit einem Tonband zeichnen magnetische Minerale u. a. Variationen des Erdmagnetfeldes wie die Säkularvariation oder die Polaritätswechsel (d. h. die Umpolung des geomagnetischen Feldes) auf. Darüber hinaus spiegeln Konzentration, Art und Korngrößen magnetischer Minerale in der Umwelt den Ursprung, den Sedimenttransportweg sowie die Ablagerungsbedingungen der Sedimente wider. Auch Prozesse nach der Ablagerung wie Diagenese und Bodenbildung hinterlassen ihre magnetische Signatur. Damit kann der Magnetismus von Sedimenten und Böden auch zur Rekonstruktion von Paläo-Klimabedingungen und indirekt auch zur Datierung herangezogen werden.

 

Physikalische Grundlagen

Bringt man ein Mineral in ein externes Magnetfeld H, wird eine induzierte Magnetisierung Ji erzeugt, wobei das Verhältnis k=Ji/H die Volumensuszeptibilität beschreibt. Dividiert man diese dimensionslose Größe durch die Dichte der Probenmasse, so erhält man die spezifische Suszeptibilität mit der Einheit [m3kg-1], deren Größe und Vorzeichen je nach Eigenschaften der magnetischen Minerale variieren:

Beim Anlegen eines externen magnetischen Feldes herrscht bei...

  • diamagnetischen Mineralen
    eine schwache negative Magnetisierung (k<0), welche temperaturunabhängig ist und bei Aufhebung des Magnetfeldes wieder verschwindet.
    Beispiele: Quarz, Feldspat und Calcit (alles eisenfreie Minerale).

  • paramagnetischen Mineralen
    eine schwache positive, temperaturabhängige Magnetisierung (k>0). Bei Temperaturerhöhung nimmt die Suszeptibilität gemäß des Curieschen Gesetzes kpara=C/T ab (C ist die Curiekonstante, T ist die absolute Temperatur). Die induzierte Magnetisierung verschwindet bei Aufhebung des äußeren Magnetfelds.
    Beispiele: Pyrit, Illit, Montmorillonit (Eisen im Mineralgitter eingebaut).

  • ferromagnetischen Mineralen
    eine starke positive Magnetisierung (k>>0), welche bei Aufhebung des Magnetfeldes als remanente Magnetisierung erhalten bleibt.
    Beispiele: Magnetit, Titanomagnetit, Maghemit.

 

physikalisch-magnetische Grundlagen

Induzierte Magnetisierung J in Abhängigkeit eines äußeren Magnetfeldes H für a) diamagnetische, b) paramagnetische und c) ferromagnetische Minerale. Während die magnetische Suszeptibilität für diamagnetische Minerale negativ und für paramagnetische Minerale stärker positivkonstant ist, verhält sie sich bei ferromagnetischen Mineralen gemäß der Hystereseschleife (verändert nach BUTLER, 1998).

 

 

LITERATUR

BUTLER, R. F. (1998): Paleomagnetism: Magnetic Domains to Geologic Terranes. Electronic Edition. Arizona.

CORNELL, R. M. & SCHWERTMANN U. (2003): The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses. Weinheim.

MAHER, B. A., THOMPSON, R. (1999): Quaternary Climates, Environments and Magnetism. Cambridge.

MÜLLER, M. (2004): Rekonstruktion von Paläosäkularvariationen des Erdmagnetfeldes an holozänen marinen Sedimenten aus der Regin des Makran-Akkretionskeils. Dissertation. Bremen.

SOFFEL, H. Chr. (1998): Paläomagnetismus und Archäomagnetismus. München.

 

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