Paläomagnetismus : das magnetische Gedächtnis der Gesteine

Was ist Paläomagnetismus ?

Das Erdmagnetfeld und der Kern

Das Erdmagnetfeld wird vom äußeren Kern der Erde erzeugt, der aus flüssigem Eisen besteht. Die Wärme des inneren Kerns, der aus festem Eisen besteht, wird durch Konvektionsströme auf den flüssigen äußeren Kern übertragen. Die Konvektionsströme versetzen den flüssigen äußeren Kern in eine unregelmäßige, aber etwas schnellere Rotation als die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Dieser elektrische Strom wiederum erzeugt ein Magnetfeld, das durch eine Richtung, einen Sinn und eine Intensität gekennzeichnet ist.

Die Magnetisierung der ferromagnetischen Mineralien

An der Erdoberfläche haben die ferromagnetischen Mineralien wie Magnetit (Fe3O4) und Hämatit (Fe2O3), die in den Gesteinen der Erdkruste enthalten sind, die Fähigkeit, sich zu magnetisieren. Wenn sich Basalt durch schnelle Abkühlung des von Vulkanen ausgestoßenen Magmas bildet, richten sich die im Gestein vorhandenen ferromagnetischen Mineralien am umgebenden Erdmagnetfeld aus.

Diese Magnetisierung der ferromagnetischen Mineralien erzeugt einen magnetischen Fingerabdruck im Basalt, der später untersucht werden kann, um die geomagnetische Geschichte der Region zu verstehen. Mit anderen Worten : Wenn sich Gesteine bilden, zeichnen sie die Ausrichtung des Erdmagnetfelds zu einem bestimmten Zeitpunkt auf. Im Laufe der Zeit können die Gesteine aufgrund der Bewegungen der tektonischen Platten verschoben werden, aber ihr magnetischer Fingerabdruck bleibt unverändert.

Ein magnetisches Gedächtnis der Gesteine

Geophysiker und Geologen können Gesteinsproben aus der ganzen Welt entnehmen, datieren und ihre magnetische Ausrichtung und Intensität analysieren. Durch den Vergleich dieser Informationen mit der aktuellen Position der Gesteine können sie die vergangenen Bewegungen der Kontinente rekonstruieren. Dieses magnetische Gedächtnis stellt somit ein wertvolles natürliches Archiv dar, um die geologische Geschichte unseres Planeten nachzuvollziehen.

Wie kann man den Magnetismus der Vergangenheit wiederfinden ?

Die natürliche remanente Magnetisierung

Ferromagnetische Mineralien bewahren die Ausrichtung der Eisenionen in Richtung des Magnetfelds der Erde im Moment ihrer Verfestigung, aber auch die Intensität der Magnetisierung. Indem Wissenschaftler sehr viele Stätten auf der ganzen Welt (geomagnetische Observatorien) untersuchen, können sie die Geschichte des Erdmagnetfelds rekonstruieren.

Jede Materie (Pflanzen, Metalle, Tiere, menschliche Körper usw.) hat eine induzierte Magnetisierung, mit anderen Worten, sie hat eine Antwort auf das Erdmagnetfeld. Die remanente Magnetisierung ist das, was die Materie behalten, speichern kann, wenn das umgebende Magnetfeld auf Null reduziert wird. Der Paläomagnetiker sucht daher, diese remanente Magnetisierung zu identifizieren.

Die Messung mit dem Magnetometer

Der Paläomagnetiker interessiert sich vor allem für die Richtung der Magnetisierung im Verhältnis zum geographischen Bezugssystem des Entnahmeorts. Die entnommene Probe (ein langer Gesteinszylinder) wird mit einem System markiert, das es ermöglicht, die genaue Richtung des magnetischen Pfeils im Raum am Entnahmeort zu erfassen.
Die Intensität und der Sinn der erhaltenen Magnetisierung werden mit einem Magnetometer gemessen.
Die Probe wird in ihrem Bezugssystem positioniert, das heißt in derselben Position wie die ihres Entnahmeorts. Eine Maschine wird sie in geschirmten Spulen, die vom äußeren Magnetfeld isoliert sind, schnell in Rotation versetzen. Im Messinstrument wird eine Abweichung beobachtet. Die 3 Komponenten der Magnetisierung werden aufgezeichnet (Richtung, Sinn, Intensität).

Die Curie-Temperatur

Anschließend erwärmen die Wissenschaftler die Probe, um die gesamte natürliche thermoremanente Magnetisierung zum Verschwinden zu bringen. Tatsächlich verliert ein ferromagnetisches Material seine permanente Magnetisierung bei einer Temperatur, die "Curie-Temperatur" genannt wird ; dieses Phänomen wurde vom französischen Physiker Pierre Curie (1859-1906) im Jahr 1895 entdeckt.
Dann erzeugen sie eine neue Magnetisierung in einem bekannten Feld (dem der Erde). Ohne die Probe zu bewegen, vergleichen sie diese mit der alten natürlichen Magnetisierung, die sie aufgezeichnet haben.
Diese Manipulation ermöglicht es, die 3 Parameter des Magnetfelds im Moment der Abkühlung des Gesteins zu kennen.

Umpolung des Erdmagnetfelds im Laufe der Zeit

Die Aufzeichnung in der ozeanischen Kruste

Dank des Paläomagnetismus haben Wissenschaftler entdeckt, dass zahlreiche Umpolungen des Erdmagnetfelds im Laufe der Erdgeschichte aufeinander gefolgt sind.

Die Umpolung des Erdmagnetfelds wird an den mittelozeanischen Rücken aufgezeichnet. An diesen Stellen steigt der geschmolzene Mantel an die Oberfläche und verfestigt sich, um neue ozeanische Kruste zu bilden, wobei die Stärke und Richtung des zeitgenössischen umgebenden Magnetfelds bewahrt werden. Während neues Material extrudiert wird, wird die bestehende Kruste auf jeder Seite des Rückens weggeschoben, wobei die Richtung des umgebenden Magnetfelds zum Zeitpunkt der Bildung erhalten bleibt. Mit anderen Worten : Wenn Magma abkühlt und sich verfestigt, um die ozeanische Kruste zu bilden, richten sich die ferromagnetischen Mineralien am umgebenden Erdmagnetfeld im Moment ihrer Verfestigung aus. Dies magnetisiert die ozeanische Kruste und zeichnet die Ausrichtung des Magnetfelds an diesem genauen Ort und zu diesem genauen Zeitpunkt auf.

Die magnetischen Anomalien

So bilden sich parallele Bänder magnetisierter Gesteine auf jeder Seite des zentralen Rückens des mittelozeanischen Rückens. Diese Bänder weisen entgegengesetzte magnetische Polaritäten auf und bilden das, was man magnetische Anomalien nennt. Diese werden als eine Abwechslung von Blöcken normal und umgekehrt magnetisierter ozeanischer Kruste interpretiert. Diese an den mittelozeanischen Rücken beobachteten Anomalien sind besonders interessant, denn durch die Analyse dieser Bänder können Wissenschaftler die Geschichte der magnetischen Umpolungen im Laufe der Zeit rekonstruieren.

Die Häufigkeit der Umpolungen

Durch die Analyse dieser Anomalien konnten Wissenschaftler die Geschichte der Umpolungen des Erdmagnetfelds in den letzten 800 Millionen Jahren nachvollziehen. Sie stellten fest, dass die Häufigkeit der Umpolungen unregelmäßig ist, aber eine gewisse Periodizität aufweist. Im Durchschnitt polt sich das Erdmagnetfeld alle 250 000 bis 300 000 Jahre um. Es gibt jedoch Zeiträume, in denen die Umpolungen häufiger sind, wie vor 80 Millionen Jahren, als sich das Erdmagnetfeld alle 100 000 Jahre umpolte.

Es gibt auch Zeiträume, in denen die Umpolungen seltener sind, wie vor 100 Millionen Jahren, als das Erdmagnetfeld über mehr als 10 Millionen Jahre stabil blieb.

Umpolung des Magnetfelds im Gange

Die Abnahme des Dipolmoments

Wissenschaftler überwachen das Erdmagnetfeld aufmerksam, um jedes Anzeichen einer bedeutenden Veränderung zu erkennen. Moderne Beobachtungen werden mit Hilfe von Satelliten und geophysikalischen Instrumenten durchgeführt, um das Magnetfeld präzise zu kartieren.

Doch selbst mit diesen fortgeschrittenen Technologien bleibt die genaue Vorhersage, wann eine Umpolung stattfinden wird, aufgrund der Komplexität der dynamischen Prozesse im Erdkern eine Herausforderung.

Eine bevorstehende Umpolung ?

Derzeit beobachten wir eine Abnahme des Dipolmoments von 6 % pro Jahrhundert. Die Abnahme des Dipolmoments deutet auf eine Verringerung der Intensität des Erdmagnetfelds hin.
Die Abnahme des Dipolmoments des Erdmagnetfelds impliziert nicht notwendigerweise eine sofortige Umpolung des Magnetfelds. Obwohl die Abnahme des Dipolmoments mit Veränderungen im Erdmagnetfeld verbunden sein kann, ist die magnetische Umpolung ein komplexer Prozess und die Entwicklung des Magnetfelds kann verschiedenen unvorhersehbaren Szenarien folgen.