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Erschienen in:

2024 | OriginalPaper | Buchkapitel

2. Das Erdmagnetfeld aus geologischer Sicht

verfasst von : Michael Urbat

Erschienen in: Magnetismus der Gesteine

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Ein wichtiger Ansatz beim Lesen dieses Buches wird es sein, die Erdkruste in der Gedankenwelt der Geologie als dynamisches, sich ständig wandelndes, sich bewegendes, zerstörendes und erschaffendes Kleid dieser Erde zu verstehen. Unaufhörlich seit Milliarden von Jahren entstehen Gesteine, werden verändert, deformiert und oft in diesem Kreislauf wieder zerstört. Auch wenn dies Millionen von Jahren dauert.

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Nächstes Kapitel Magnetismus

Dazu zählen neben der Art und Beschaffenheit der aufgetürmten Gesteine auch Intensität, Winkel, Zeitraum und Art der Plattenkollisionen.

Mit anderen Worten: Der sichere Standort einer neuen Gartenhütte lässt sich wahrscheinlich durch eine kurze lokale Inspektion der Beschaffenheit des Untergrundes und ohne weitere Kenntnis der Geologie festlegen. Ein Wolkenkratzer bedarf schon, im wahrsten Sinne des Wortes, einer tiefergehenden Betrachtung der Geologie, um dessen Standsicherheit zu gewährleisten. Sonst wird vielleicht auf Sand gebaut. Und wir wollen ja hoch hinaus mit unseren neuen Erkenntnissen zum Magnetismus von Gesteinen.

Mächtigkeit heißt das in der Geologie, wenn es sich um Gesteinsabfolgen handelt.

Kontinentale gegenüber ozeanischer Kruste und deren jeweils typischer Gestein (s. auch Kap. 3).

Nasse Straße, Eisglätte, trockene Kreuzung, Kurve, Autobahn etc.

Wie schnell das Karussell gedreht wird.

Der indische Kontinent ist seit etwas mehr als 50 Mio. Jahren ungewöhnlich schnell und auf direkter Linie mit Asien kollidiert. Der Himalaya und benachbarte Gebirgsketten bis nach Pakistan und Afghanistan sind das Resultat.

Nur ein Gedankenspiel.

Siehe insbesondere die folgenden Erläuterungen zur geologischen Zeitskala im Vergleich zur geomagnetischen Zeitskala in Abschn. 2.2.

Resultierend aus einer beliebigen Annahme einer Laufgeschwindigkeit von 20 km/h bei einer Distanz von 4300 km.

Es gibt berechtigterweise viele (sehr viele) verschiedene Gesteinsnamen für unterschiedliche Gesteine. Granit, Basalt, Sandstein oder Schiefer mögen direkt genannt werden. Alle diese Gesteine lassen sich jedoch einer der drei im Text genannten Hauptkategorien zuordnen.

Ein weiterer dieser geologischen Begriffe: Bei der Abkühlung heißer Magma kristallisieren unterschiedliche Minerale nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten in einer bestimmten Reihenfolge aus. Dadurch wird die verbleibende Magma kontinuierlich in ihrer Zusammensetzung verändert, da die Bestandteile der entstandenen Minerale der Gesamtmischung entzogen werden.

Näheres in Kap. 3, insbesondere weil wir dort auch erfahren werden, dass Minerale mit besonderen magnetischen Eigenschaften typischerweise einer ähnlichen Korngrößenverteilung unterliegen. Und die magnetischen „Fähigkeiten“ eines Minerals ändern sich dramatisch mit seiner Korngröße.

Der Begriff „magnetische Minerale“ wird in diesem Buch etwas salopp hauptsächlich für eine kleine, illustre Gruppe von Mineralen mit der besonderen Fähigkeit verwendet, die Magnetisierung des Erdmagnetfeldes zu speichern (s. insbesondere Abschn. 3.1). Dies bedeutet in der Regel nicht, dass man sich diese Minerale im klassischen Sinne als Magnete vorstellen sollte.

Wir werden in den folgenden Kapiteln erfahren, dass diese Partikel nicht nur speziell, klein und selten, sondern auch im Verhältnis zu den übrigen Komponenten eines Gesteines rar sind.

Für die Speicherung eines Erdmagnetfeldes ist das zunächst scheinbar schlecht (Kap. 3). In Kap. 5 werden wir die Vorteile der sensitiven magnetischen Minerale kennenlernen.

Hier zunächst geographisch gemeint, aber mit sicherer Anspielung auf die folgenden Einordnungen zum Erdmagnetfeld.

Wenn man sich die Rotationsachse als Stab denkt, welcher an den Polen durch die Erde gesteckt ist, sähe man eine gewisse Unwucht bei der Drehung. „Chandler wobble“ ist eine Bezeichnung dafür. Beispielsweise: Mandelbrot, B.B. und McCamy, K., 1970. On the Secular Pole Motion and the Chandler Wobble. Geophysical Journal International, Volume 21, Issue 2, November 1970, Pages 217–232, https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1970.tb01777.x.

Die vertrauten geographischen Längen- und Breitengrade der Erde bieten uns ein gewisses Koordinatensystem. Wir können sagen: Wir fahren nach Westen, weil Norden und Süden als fixe Bezugspunkte auf der Erde definiert wurden.

In diesem Buch verwenden wir immer wieder exemplarisch und hauptsächlich der Einfachheit halber einzelne spezifische Begriffe, hier „Nordpol". Mit gleicher Berechtigung könnte auch „Südpol“ geschrieben werden, zumal beide Pole symmetrisch und fix zueinander liegen.

In einem Kompass zeigt uns eine frei schwingende Magnetnadel bekanntlich, wo Norden ist. Diese Nadel dreht sich aufgrund des Erdmagnetfeldes und nicht aufgrund der Position der Rotationsachse der Erde oder unserer Definition der Längen- und Breitengrade.

Keine Sorge, dazu folgt noch ein ganzes (Kap. 4).

Physikalisch genommen zeigt die Nadel auf einen Südpol.

Geordneter Zustand im Sinne gleich ausgerichteter Magnete.

Nehmen wir an, ein Stabmagnet, sich selbst überlassen, also ohne weitere Einwirkung eines äußeren magnetisierenden Feldes.

Sinnbildlich sollte es sich wie in Abb. 2.8 um eine kreisförmige Weide handeln.

Die Ehrenrunde zieht den durchschnittlichen Aufenthaltspunkt des Schafes – sozusagen – aus dem Mittelpunkt der Weide leicht in Richtung des Bereiches der Ehrenrunde. Je größer die Abweichung vom Weg, besser gesagt der bevorzugte Aufenthalt in einer Region der Weide, ist, desto größer wird die Abweichung vom Mittelpunkt der Weide sein.

GAD: also ein Erdmagnetfeld, welches hypothetisch von einem Stabmagneten exakt im Mittelpunkt und parallel der Rotationsachse der Erde erzeugt wird.

Mit welcher Rate sich Sediment aufbaut, variiert je nach Ablagerungsraum deutlich; eine geologische Gesteinsansprache ist deshalb Teil paläomagnetischer Untersuchungen. Später dazu mehr.

Sinnbildlich mag man als Beispiel für Heterogenität an Blaubeeren in einem ansonsten homogenen Joghurt denken.

Zur besseren Vorstellung: Wäre die Erde ein kleiner Gymnastikball, hätte der gesamte Erdkern die Größe eines Fußballes. Der innere Erdkern entspräche der Größe eines Tennisballes.

Achtung: Diese Konvektion im Erdkern ist nicht zu verwechseln mit den Konvektionsströmen im Erdmantel, welche im Zusammenhang mit den plattentektonischen Bewegungen in der Erdkruste zu diskutieren wären.

Corioliskraft.

Etwa so wie ein Ball im Zentrum einer rotierenden Schüssel voller Wasser aufgrund seiner Trägheit nicht notwendigerweise mit der gleichen Geschwindigkeit des umgebenden Wassers mitrotiert.

Eine Flüssigkeit im physikalischen Sinne muss nicht notwendigerweise mit Wasser vergleichbar sein. Auch ein eher zäher Brei mag als Flüssigkeit bezeichnet werden, insbesondere müssen wir aber bei unseren Assoziationen zum Begriff „Flüssigkeit“ angesichts der Kombination aus extremen Temperaturen und Drucken im Erdinneren für Neues offen sein, was beispielsweise die Fließfähigkeit betrifft. Sei die Flüssigkeit nun eher Wasser oder eher Brei ähnlich.

Petrus Peregrinus in lateinischer Sprache.

W. Gilbert, 1600, De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure.

Beispielsweise 1906, Recherches sur la direction de l’aimantation des roches volcaniques, J. Phys. Théor. Appl., 4ème série, 5, 705–724, zwei weitere Publikationen 1905.

Matuyama, M., 1929. On the direction of magnetisation of basalt in Japan, Tyosen and Manchuria. Proceedings of the Imperial Academy of Japan, 5: 203.

Eine Zusammenfassung dieser umfassenden Arbeiten bietet beispielsweise die aktuelle, zweibändige Ausgabe A Geologic Timescale 2020 von Gradstein et al. (eds.), Elsevier, 1390 Seiten.

Größenordnung 10 km Durchmesser, z. B.: Smit J., Hertogen J., 1980, An extraterrestrial event at the Cretaceous–Tertiary boundary. Nature 285, 198; Schulte, P. et al., 2010, The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary, Science, Vol 327, Issue 5970, pp. 1214–1218.

Beachte, nicht jedes Gestein enthält notwendigerweise die geeigneten Minerale, an welchen eine solche radiometrische Datierung durchgeführt werden kann. Eventuell ist der Zerfallsprozess geeigneter Minerale seit der Ablagerung des Gesteines gestört worden, beispielsweise durch plattentektonische Prozesse und damit verbundene hohe Drucke und Temperaturen in der Erdkruste. Mit anderen Worten: Es ist grundsätzlich nicht möglich, ein Gestein zur Hand zu nehmen, und ein Messgerät gibt uns ohne Weiteres ein absolutes Alter an.

Das durchschnittliche Alter ozeanischer Kruste liegt bei rund 64 Mio. Jahren, also etwa dem Ende der Kreide. Bis auf einen ungewöhnlichen Erhalt älterer Kruste im Mittelmeer existiert weltweit kaum Kruste älter als Jura (200 Mio. Jahre). Beispielsweise Seton, M. et al. (2020). A Global Data Set of Present-Day Oceanic Crustal Age and Seafloor Spreading Parameters. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, Volume 21, Issue 10, AGU.

Die durchschnittliche Dauer von Zeiten gleicher Polarität liegt bei ca. 450.000 Jahren. In der Realität gibt es wesentlich kürzere und wesentliche längere Abschnitte. Auf jeden Fall werden wir bei einer Zeitdauer von ca. 200 Mio. Jahren seit dem Jura mehrere Hundert Polaritätswechsel finden.

In der Regel nimmt die Mächtigkeit vom MOR weg ab, da das Krustenmaterial mit zunehmendem Alter immer mehr abkühlt und dabei dichter, in der Konsequenz also geringmächtiger wird (Abb. 2.15). Vergleiche ein Brot frisch aus dem Ofen und eine Woche später. Unter Auslassung lokaler Variationen (beispielsweise sogenannter Hotspots) ähnelt die resultierende Oberflächenform der ozeanischen Kruste vom MOR in Richtung Kontinent etwa den Tragseilen einer Hängebrücke vom zentralen Stützpfeiler weg in Richtung zum Ufer.

In der Geologie werden magmatische Gesteine je nach Zeitpunkt des Ausfallens der enthaltenen Minerale aus der Schmelze anders bezeichnet. Beispielsweise ist ein Gabbro zu einem früheren Zeitpunkt, genauer gesagt in einer anderen Tiefe in der Erdkruste und damit unter anderen Druck- und Temperaturverhältnissen, kristallisiert als ein Basalt. Entsprechend werden beide Gesteine durch unterschiedliche Eigenschaften charakterisiert, wie beispielsweise der Art und Menge der enthaltenen Minerale und damit ihrer Erscheinung, ihrer Härte, ihres Gewichts und mehr. Zudem ist leicht verständlich, dass Magma, welche mit kaltem Meerwasser in Kontakt gerät (aufgrund der äußeren Form sogenannte Kissenlava), schneller und anders abkühlt als eine in oberen Bereichen der Erdkruste eher langsam erkaltende Gesteinsschmelze.

Zum Beispiel Frisch, Meschede and Blakey, 2010, Plate Tectonics, Springer.

Continental Drift, namentlich durch Alfred Wegener (1880–1930).

Beispielsweise Stüwe, Kurt, 2010, Geodynamics of the Lithosphere, Springer.

Vor fast 60 Jahren beispielsweise unter Verwendung numerischer Methoden der sogenannte Bullard’s Fit: Bullard, E., Everett, J. E. and Smith, A. G., 1965. The fit of the continents around the Atlantic, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A. Vol. 258, No. 1088, pp 41–45.

Beispielsweise erzeugen 100.000 Jahre normaler Polarität bei einer Spreizungsgeschwindigkeit von 10 cm/Jahr positive magnetisierte Lava von jeweils 5 km Breite zu beiden Seiten des MOR. Bei 5 cm/Jahr verkürzt sich der gleiche Zeitraum in der Abbildung als magnetisierte Erdkruste auf zwei Streifen von nur je 2,5 km Breite.

Es folgen in Kap. 4 und 5 noch einige geologische Beispiele, um die notorische „Unregelmäßigkeit“ und „Unterbrechung“ bei der Entstehung von Gesteinsschichten zu erläutern.

Durch Eindampfung, Ausfällung oder einfach Ablagerung kalkhaltiger Algen und Korallen in tropischen Meeren entstandenes Sediment.

Die genannten Sedimente in beiden Beispielen sind jeweils jünger als die älteste ozeanische Kruste, aber zur Illustration ähnlicher, früherer Ablagerungsräume durchaus geeignet.

Vgl. van der Meer, D. G. et al., 2022. Long-term Phanerozoic global mean sea level: Insights from strontium isotope variations and estimates of continental glaciation, Gondwana Research, Vol. 111, pp. 103–121.

Aus einer Perspektive aktueller Diskussionen sei angemerkt: Wissenschaftliche Untersuchungen und Prognosen zu den Einflüssen und Auswirkungen durch Menschen verursachter klimatischer Veränderungen berücksichtigen natürliche Veränderungen der Umwelt in der geologischen Vergangenheit. Der Einfluss des Menschen auf das System Erde manifestiert sich dann als Überlagerung und oft deutliche Veränderung ohnehin bekannter, natürlicher Schwankungen des Systems Erde. Eben weil wir aus Dekaden geowissenschaftlicher Forschung ein mittlerweile recht detailliertes Bild über Hunderte Millionen von Jahren der geologischen Erdgeschichte haben, können wir beurteilen, was in den letzten 100 Jahren an neuen und eben oft klimatisch relevanten Faktoren hinzugekommen ist. Und diese Faktoren lassen sich eindeutig auf menschliche Aktivitäten zurückführen. Geologische Faktoren wie die beispielhaft genannten plattentektonischen Bewegungen und eine resultierende Rekonfiguration der Kontinente mögen unter Umständen dramatischere Umweltveränderungen hervorrufen – 200 m Wasserspiegelveränderung (!) in der Kreide –, aber dies geschieht über Zeiträume von vielen Millionen von Jahren und nicht im Laufe eines Menschenlebens oder gar mehrerer Generationen. Schon ein, zusätzlich zu den natürlichen Schwankungen, 1 m höherer Meereswasserspiegel hat in den Küstenregionen unserer dicht besiedelten Erde verheerende Auswirkungen. Und ein veränderter Meeresspiegel ist bekanntlich nur eine der vielen möglichen Auswirkungen eines unnatürlich veränderten Klimas auf der Erde.

Ein Beispiel sei Abb. 4.5 bei der Besprechung eines geologischen Szenarios.

Warum 2 cm Zylinder? In den folgenden Kapiteln werden wir weitere Hinweise finden. Alles in allem ist es für dieses Buch ausreichend zu sagen, dass magnetische Messungen in unterschiedlicher Art und Weise von der Menge des untersuchten Materials abhängen. Wenn wir uns die gespeicherten Magnetisierungsrichtungen des Erdmagnetfeldes als Schar mehr oder weniger paralleler, kleiner Pfeile im Gestein vorstellen, wird eine zu kleine Probe eventuell nicht genügend kleine Pfeile enthalten, um eine statistisch relevante Aussage über die gemeinsame Richtung dieser Pfeile machen zu können. 2 cm sind in Anbetracht der Auflösung und praktikablen Größe der Messgeräte, der durchschnittlichen Menge der „Pfeile“ in Gesteinen oder auch einer praktikablen Größe zur Entnahme von Proben ein guter Kompromiss. Zylinder sind ebenfalls eine recht gut herzustellende Probenform (Hohlbohrer) und zudem recht nahe an der Idealform einer Kugel für die Proben. Kugeln liefern in jeder Raumrichtung die gleiche Menge Material bei einer Messung, sind aber schwerer herzustellen, zu beschriften oder auch zu lagern.

Wer sich einlesen möchte, s. beispielsweise I. Wendt, 1986. Radiometrische Methoden in der Geochronologie, Clausthaler Tektonische Hefte 23, Springer.

Invers im deutschen Sprachgebrauch wird zu „reverse“ in der anglophonen Verwendung, insofern das r.

So wie in einer Straße manchmal Hausnummer B eingefügt wird, wenn beispielsweise auf einem der Grundstücke ein einzelnes Haus durch zwei neue Häuser ersetzt wird. Alle Hausnummern einzukassieren und stattdessen neu durchzunummerieren, hätte in der Regel einen wesentlich höheren Aufwand, inklusive der für jeden Bewohner neuen Postadresse und entsprechender Ummeldungen, zur Folge.

Titel: Das Erdmagnetfeld aus geologischer Sicht
verfasst von: Michael Urbat
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Magnetismus der Gesteine
Print ISBN: 978-3-662-68939-4

Electronic ISBN: 978-3-662-68940-0

Copyright-Jahr: 2024
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-68940-0_2