Paläomagnetismus und Archäomagnetismus

283 Pages·1991·11.144 MB·German

by  Prof. Dr. Heinrich Christian Soffel (auth.)

H. Chr. Soffel
PalaolllagnetislllUS
und
Archaolllagnetislllus
Mit 219 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Prof. Dr. Heinrich Christian Soffel
Institut flir Allgemeine und Angewandte Geophysik
Universitat MUnchen
TheresienstraBe 41
D-8000 MUnchen 2
ISBN-13: 978-3-540-53890-5 e-ISBN-13: 978-3-64 2-76547-6
DOl: 10.1007/978-3-642-76547-6
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Soffel, Heinrich: Paliiomagnetismus und Archiiomagnetismus / H. Chr. Soffel. -
Berlin ; Heidelberg; New York ; London ; Paris ; Tokyo; Hong Kong;
Barcelona; Budapest: Springer, 1991
ISBN-13: 978-3-540-53890-5
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iiberpriift werden.
Satz: Cicero Lasersatz, Augsburg
32/3140-543210 - Gedruck auf siiurefreiem Papier
Vorwort
Das vorliegende Buch ist als Einflihrung flir die Studenten des Hauptfachs
Geophysik und der Nebenfacher Geologie, Mineralogie und Physik
gedacht. Basierend auf meinem seit vielen Jahren an der Universitat MUn
chen angebotenen Vorlesungszyklus Uber Gesteinsmagnetismus, Palaoma
gnetismus und Archaomagnetismus nutzt es nicht nur die eigenen Erfahrun
gen, sondem auch die der ganzen Arbeitsgruppe des MUnchner Instituts flir
Allgemeine und Angewandte Geophysik auf diesen Gebieten wahrend der
letzten 3 Jahrzehnte. Mein Dank gilt an erster Stelle meinem sehr verehrten
Lehrer, Herro Prof. em. Dr. Gustav Angenheister, der mich vor mehr als
30 Jahren als Student der Physik flir die Geophysik und speziell den
Gesteinsmagnetismus begeisterte. Dankbar bin ich auch den Kollegen Prof.
Dr. N. Petersen, Prof. Dr. A. Schult, Doz. Dr. E. Schmidbauer, Prof. Dr.
E. Appel, Dr. J. Pohl, Dr. V. Hoffmann, Dr. F. Heider und Dr. V.
Bachtadse, mit denen mich eine zum Teil langjahrige Freundschaft und
Zusammenarbeit verbindet, flir die Bereitstellung veroffentlichten und
unveroffentlichten Materials und flir die nUtzlichen Ratschliige zur Verbes
serung des Manuskripts und der Abbildungen. Meinen Fachkollegen im In
und Ausland danke ich flir die anregenden Diskussion auf Tagungen und
Symposien, die mich immer bereichert haben. Die Universitat MUnchen
und ihre Gremien sowie das Bayerische Staatsministerium flir Wissenschaft,
Kunst, Unterricht und Kultur haben unsere Gruppe durch den Bau eines
Labors flir Gesteins- und Palaomagnetismus in Niederlippach bei Landshut
groBzUgig gefordert, ebenso die Deutsche Forschungsgemeinschaft durch
die Bereitstellung von Mitteln flir Forschungsprogramme. Auch ihnen sei
herzlich gedankt.
Durch Hinweise auf andere Kapitel und Abschnitte des Buches wurde
versucht, Querverbindungen aufzuzeigen, urn Wiederholungen zu vermei
den. Zahlreiche Abbildungen stammen aus dem groBen Fundus von
Diplom-, Doktor- und Habilitationsarbeiten und von Vorlagen flir die Vor
lesungen, die zum Teil von A. Hornung in dankenswerter Weise gekonnt
und sorgfaltig umgezeichnet wurden. Bei vielen Abbildungen konnte auch
auf die Vorlagen in den Artikeln von Voppel (1985), Bleil und Petersen
(1982), Petersen und Bleil (1982) und Soffel (1985) der im gleichen Verlag
erschienenen Bande des Landolt-Bomstein, Neue Serie, Bande V 1 und 2
zuruckgegriffen werden (Literaturverzeichnis). Dem Verlag danke ich flir
die Ubemahme kleiner Anderungen bei den Originalzeichnungen.
VI Vorwort
Ein besonderes Anliegen war fUr mich, die methodischen Grundlagen des
Palaomagnetismus und Archaomagnetismus unter besonderer Berticksichti
gung des Gesteinsmagnetismus und der Erzmikroskopie moglichst breit dar
zustellen. Eine Analyse der globalen palaomagnetischen Datenbank, die zur
Zeit aufgebaut wird (McElhinny u. Lock 1990a, 1990b) zeigt, daB auch
Ende der 80er Jahre von den jahrlich publizierten palaomagnetischen
Ergebnissen nur etwa 40 % aller palaomagnetischen Daten durch gesteins
magnetische Untersuchungen gesttitzt werden. Dieser Anteil muB unbedingt
in der Zukunft wesentlich verbessert werden, urn zu verhindem, daB sich
inkorrekte oder zweifelhafte Daten in der Literatur etablieren konnen. Eine
der wichtigsten Fehierquellen im Palaomagnetismus, unentdeckte Rema
gnetisierungen, konnen nach meiner Ansicht nur mit Hilfe von sorgfaltigen
gesteinsmagnetischen und erzmikroskopischen Begleituntersuchungen ver
mieden werden.
Die Anwendungen des Palao- und Archaomagnetismus treten im Buch
neben dem ausfUhrlichen methodischen Teil etwas in den Hintergrund. Ich
habe es vorgezogen, nur wenige charakteristische Beispiele - hauptsachlich
aus dem Raum Eurasien - zu zeigen, in dem sich wohl die meisten Leser
auskennen. Wichtiger war fUr mich, die Studenten durch einen ausftihrli
chen methodischen Teil an die Literatur heranzuftihren und sie zu moglichst
kritischen Lesem der Publikationen zu machen. Auch habe ich weitgehend
darauf verzichtet, die verschiedenen gesteinsmagnetischen Techniken zur
Losung petrologischer Fragestellungen zu behandeln. Allein fUr diesen
Gegenstand ware ein eigenes Buch sinnvoll. Ich bin daher nur auf diejeni
gen Messungen eingegangen, die unmittelbar fUr die Beurteilung der Zuver
lassigkeit eines palaomagnetischen Ergebnisses ntitzlich erscheinen. In das
Literaturverzeichnis habe ich weiterfiihrende Monographien auf den Gebie
ten Erdmagnetismus, Ferro(i)magnetismus, Gesteinsmagnetismus, Erzmi
kroskopie, Palaomagnetismus und Archaomagnetismus aufgenommen und
die im Buch zitierte Spezialliteratur gesondert aufgefUhrt. Dabei wurde
Literatur bis Anfang 1991 berUcksichtigt.
AbschlieBend mochte ich meiner Familie fUr ihr Verstandnis und die
Geduld mit mir danken. Die Mithilfe des Springer-Verlags bei der Ausstat
tung des Buches mochte ich ganz besonders anerkennen, insbesondere bei
der Veroffentlichung der zahlreichen Photographien mit Mikroskopaufnah
men.
Mtinchen, im Januar 1991 Heinrich Soffel
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Definition von PaUio- und Archaomagnetismus ....... 1
1.2 Einordnung der Methoden innerhalb der Geophysik . . . . . 2
1.3 Aussagemoglichkeiten tiber den frtiheren Zustand der Erde . 2
1.4 Wechselbeziehungen mit Nachbardisziplinen 3
1.5 MaBsysteme, Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Methodische Grundlagen
2.1 Eigenschaften und Ursprung des Erdmagnetfeldes 7
2.1.1 Definition der KenngroBen des Erdmagnetfeldes
X, Y ,H,Z,F ,D ,I und ihre Verkntipfungen . . . . 7
2.1.2 Ideales und reales Erdmagnetfeld . . . . . . . . 8
2.1.3 Nichtdipolanteile in Raum und Zeit (Sakularvariation) 10
2.1.4 Kugelfunktionsentwicklung und zeitliche Anderungen
der FeldgroBen .................... 16
2.1.5 Theorien zum Ursprung des erdmagnetischen Feldes . 17
2.2 Gesteinsmagnetische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus,
Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus . 19
2.2.1.1 Definition der Magnetisierung
und des Diamagnetismus . 19
2.2.1.2 Paramagnetismus . . . 20
2.2.1.3 Ferromagnetismus . . 23
2.2.1.4 Antiferromagnetismus 23
2.2.1.5 Ferrimagnetismus 24
2.2.2 Definition magnetischer KenngroBen (k,He,Js, .• )
der Ferro(i)magnetika . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Anisotropie der Suszeptibilitat .......... 29
2.2.4 Selbstentmagnetisierung und magnetische Brechung 30
2.2.5 Kristallanisotropie und Magnetostriktion . . . 34
2.2.6 SD-PSD-MD-Teilchen und ihre typischen
Eigenschaften und Unterscheidungsmerkmale 36
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3 Magnetische und strukturelle Eigenschafien natiirlicher
Ferrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1 Magnetit................. 50
2.3.2 Ternares System (FeO-TiOz-Fe203)
und die Mischreihe der Titanomagnetite 51
2.3.3 Ramatit und Maghemit . . . . . . . . . 55
2.3.4 Mischreihe der Ramo-Ilmenite . . . . . 56
2.3.5 NichtstOchiometrische Minerale im ternaren System
der Ti-Oxide, Titanomaghemite . 58
2.3.6 Pyrrhotit und Greigit ................ 61
2.3.7 Goethit ....................... 62
2.3.8 Methoden zur Identifikation von ferro(i)magnetischen
Mineralphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4 Die Typen der remanenten Magnetisierung und ihre spezifischen
Eigenschafien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4.1 Natiirliche remanente Magnetisierung NRM . . . 66
2.4.2 Thermoremanente Magnetisierung TRM . . . . . 67
2.4.3 Partielle thermoremanente Magnetisierung PTRM 71
2.4.4 Chemische Remanenz CRM ..... 72
2.4.5 Sedimentationsremanenz DRM . . . . 74
2.4.6 Postsedimentationsremanenz PDDRM 75
2.4.7 Piezoremanenz PRM 75
2.4.8 Viskose Remanenz VRM . . . . . . 76
2.4.9 Isothermale Remanenz IRM .... 78
2.4.10 Charakteristische Remanenz ChRM 79
2.4.11 Anhysteretische Remanenz ARM . . 79
2.4.12 Selbstumkehr einer remanenten Magnetisierung 80
2.4.13 Andere Remanenztypen . . . . . . . . . . . . . 81
2.5 Typische magnetische Eigenschaften verschiedener Gesteine
und archaologischer Materialien ..... 82
2.5.1 Basalte und andere ErguBgesteine 82
2.5.2 Intrusivgesteine 84
2.5.3 Ganggesteine 85
2.5.4 Sandsteine . . . 86
2.5.5 Tonsteine 87
2.5.6 Karbonatgesteine 87
2.5.7 Metamorphe Gesteine 88
2.5.8 EinfluB der Verwitterung 90
2.5.9 Sonstige Gesteine . . . . 91
2.5.10 Archaologisches Material 93
2.6 Verfahren zur Analyse einer remanenten Magnetisierung 93
2.6.1 Wechselfeldentmagnetisierung 95
2.6.2 Thermische Entmagnetisierung 100
2.6.3 Chemische Entmagnetisierung 102
2.6.4 StoBwellenentmagnetisierung 104
2.6.5 Lowrie-Fuller-Test....... 105
Inhaltsverzeichnis IX
2.6.6 Orthogonale Projektionen (Zijderveld-Diagramme) und
Darstellung der Remanenzrichtungen im Schmidtschen
Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.6.7 Methode der Differenzvektoren . . . . . . 112
2.6.8 Methode der konvergierenden GroBkreise 114
2.6.9 Mehrkomponentenanalyse........ 115
2.7 Alter einer Remanenz und radiometrische Alter 116
2.7.1 Faltungstest .. 117
2.7.2 Konglomerattest 118
2.7.3 Kontakttest 120
2.7.4 Thellier-Test . . 121
2.7.5 Reversal-Test . 122
2.7.6 Beziehungen zwischen Remanenzalter und radiometrisch
oder biostratigraphisch bestimmten Altern . . . . .. 123
2.8 Statistische Methoden zur Analyse von Remanenzrichtungen 125
2.8.1 Mittlere Richtungen und Fisher-Statistik 126
2.8.2 Fehlerfortpfianzung .. . . . . . . . 129
2.8.3 Signifikanztests ........... 129
2.8.4 Analyse und statistische Behandlung
von Inklinationsdaten . . . . . . . . 132
2.9 Berechnung des virtuellen geomagnetischen Pols VGP und des
virtuellen geomagnetischen Dipolmoments MpaJ . . . . . . 132
2.9.1 VGP-Berechnung auf der Basis der Dipolhypothese 134
2.9.2 Statistische Behandlung der Pollagen . . . . . 134
2.9.3 Berechnung des virtuellen Dipolmoments MpaJ 134
2.10 Methoden zur Bestimmung der PaHiointensitat . 135
2.10.1 Methode unter Verwendung der TRM
(Methode Thellier) ........... 135
2.10.2 Methode unter Verwendung der ARM (Methode Shaw) 139
2.10.3 Methode unter Verwendung der DRM . . . . . 141
2.11 Probenentnahme und MeBgerate im Palaomagnetismus
und Archaomagnetismus ................ 142
2.11.1 Kriterien fur die Auswahl von Beprobungsorten 142
2.11.2 Statistische Minimalanforderungen . . . . . . 143
2.11.3 Bestimmung der horizontalen Referenzebene
und einer Referenzrichtung . . . . . . . . . 143
2.11.4 Entnahme von orientierten Handstucken . . 144
2.11.5 Entnahme von Kernen mit Diamantbohrern
und Kolbenloten . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.11.6 Probenentnahme bei archaologischen Fundorten 149
2.11.7 Laborgerate zur Messung magnetischer Parameter 150
2.11.7.1 Messung der remanenten Magnetisierung 150
2.11.7.2 Messung der Suszeptibilitat und ihrer
Anisotropie . . . . . . . . . . . . . 154
2.11.7.3 Messung der Koerzitivkraft He. . . 154
2.11.7.4 Messung der Curie-Temperatur Te . 156
X Inhaltsverzeichnis
2.11.8 Gerate zur Entmagnetisierung von Proben . 157
2.11.8.1 Wechselfeldentmagnetisierung . 157
2.11.8.2 Thermische Entmagnetisierung 160
2.11.8.3 Chemische Entmagnetisierung . 162
2.11.8.4 Spulensysteme fur die Kompensation des
erdmagnetischen Feldes .. 163
2.11.8.5 Magnetische Abschirmung . . . . 164
2.12 Mikroskopie und MoBbauer-Spektroskopie 164
2.12.1 Erzmikroskopie: Diinnschliffe, Anschliffe 164
2.12.2 Rasterelektronenmikroskopie REM . . . . 172
2.12.3 Transmissionselektronenmikroskopie TEM 175
2.12.4 MoBbauer-Spektroskopie . . . . . . . . . 176
3 Ergebnisse des Paliio- und Archiiomagnetismus
3.1 Geometrie des Erdmagnetfeldes . . . . . . . . . . . 181
3.1.1 Hypothese vom axialen geozentrischen Dipol . 181
3.1.2 Archaosakularvariation . 183
3.1.3 Quartare Sakularvariation . . . . . . 185
3.1.4 Palaosakularvariation .. . . . . . 188
3.1.5 Exkursionen des Erdmagnetfeldes 189
3.2 Polwanderungskurven groBerer Kontinentalschollen 190
3.2.1 Scheinbare oder echte Polwanderung? 190
3.2.2 Scheinbare Polwanderungskurven
der groBen Kontinentalschollen . . . . 192
3.2.3 Scheinbare Polwanderungskurven von Mikroplatten . 199
3.3 Feldumkehr und Polaritatszeitskalen . . . . . . . . . . . 200
3.3.1 Selbstumkehr der Remanenz oder Feldumkehr? . 200
3.3.2 Polaritatszeitskala der letzten 0.7 Ma . . 201
3.3.3 Polaritatszeitskala der letzten 5 Ma . . . . . . . 203
3.3.4 Polaritatszeitskala der letzten 150 Ma . . . . . . 204
3.3.5 Polaritatszeitskalen der friiheren geologischen
Vergangenheit . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.3.6 Feldverhalten wahrend einer Feldumkehr . 208
3.3.7 Statistik der Feldumkehrungen . . . . . . 211
3.4 Palaointensitat des Erdmagnetfeldes . . . . . . . . 213
3.4.1 Ergebnisse von archaologischen Proben . 213
3.4.2 Palaointensitaten der geologischen Vergangenheit . 214
3.4.3 Palaointensitat wahrend einer Feldumkehr . . . . . 216
Inhaltsverzeichnis XI
4 Anwendung des Paliiomagnetismus aUf geologische,
petrologische und archiiologische Fragestellungen
4.1 Anwendungen in der Geologie und der Tektonik . . 219
4.1.1 Palaorekonstruktion von Kontinentverteilungen . 219
4.1.2 Palaobreitenbestimmungen von Krustenb16cken . 227
4.1.3 Nachweis von Rotationsbewegungen . . . . . . . 229
4.1.4 Altersbestimmung mit Hilfe der scheinbaren Polwande-
rungskurven . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4.1.5 Datierung mit der Magnetostratigraphie . 232
4.2 Gesteinsmagnetische Untersuchungen ..... . 235
4.2.1 Suszeptibilitat und Magnetitgehalt . 236
4.2.2 Anisotropie der magnetischen Suszeptibilitat . 238
4.2.3 Messung magnetischer Eigenschaften
bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . . . 240
4.2.4 Koenigsbergerscher Q-Faktor . . . . . . . . . 241
4.2.5 lsfT-Kurven zur Identifikation von ferro(i)magnetischen
Mineralien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4.2.6 IRM-Erwerbskurven und Entmagnetisierung der 1RMs
mit Wechselfeldern und thermisch ............ 244
4.3 Anwendungen in der Archaologie ................ 246
4.3.1 Datierung mit Hilfe von Standardkurven der Inklination
und Deklination . . . . . . . . . . . . . . 246
4.3.2 Rekonstruktion archiiologischer Objekte ......... 251
5 Bibliographie
5.1 Gesteinsmagnetismus, Mineralogie . . . . . .253
5.2 Palaomagnetismus und Archaomagnetismus .253
5.3 Zitierte Literatur ............. . .254
Anhang
Programme .265
Sachverzeichnis .269