3. Magnetismus

Wir werden kurz über unterschiedliche Arten der Gesteinsentstehung diskutieren müssen.

Es folgen noch mehrere Ausführungen und Analogien zum Stichwort „Vektoren“.

Als Terminus technicus im Sinne des lateinischen remanere („zurückbleiben“), aber nicht notwendigerweise permanent („dauerhaft“). Abschn. 3.3 bespricht, dass Magnetisierung, auch wenn sie nach Millionen von Jahren noch nachzuweisen ist, nicht „ewig“ hält.

Ein Blatt Papier ist etwa 1 Mio. Atome dick. Der Atomkern macht wiederum nur etwa ein 1/10.000 eines jeweiligen Atoms aus. Den Rest und damit den größten Raum eines Atoms nimmt die Elektronenhülle ein. Diese Hülle ist der Bereich, in dem die Elektronen eines Atoms ihren Atomkern „umkreisen“. Um die Größenordnung zu erahnen, stellen wir uns eine Person zur Repräsentation eines Atomkernes vor. Diese Person könnte radial in jeder Richtung rund 5 km laufen, um zu den äußeren Bereichen der eigenen Elektronenhülle zu gelangen. 1 Mio. solch benachbarter Personen mit ihren weitläufigen „Grundstücken“ wären nötig, um in der Größenordnung der Atome die angesprochene Papierdicke zu repräsentieren. Die Erde könnte in Analogie am Äquator etwa 250-mal mit diesen benachbarten „Grundstücken“ umwickelt werden. Die Erde hat immerhin einen Radius von über 40.000 km.

Für unsere Überlegungen bleiben wir, wie gesagt, bei Materie (Mineralen), deren innerer Aufbau auf atomarer Ebene einem dreidimensionalen Kristallgitter gleicht (Abb. 3.1). Manche Klettergeräte auf Kinderspielplätzen könnten von solchen Gittern inspiriert sein.

Goodenough, J.B.,1966. Covalency Criterion for Localized vs Collective Electrons in Oxides with the Perovskite Structure. Journal of Applied Physics, 37, 1415–1421. Wichtig sind für die Paläomagnetik Eisenoxide in der Form Fe_xO_y, manchmal auch Eisenoxyhydroxide in der Form FeOOH. Manchmal ist es aber auch Schwefel (S) statt Sauerstoff, also Fe_xS_y.

Loser Sand wird in diesem Sinne zu einem Sandstein, weil die einzelnen Körner entweder so stark zusammengepresst werden, dass sie sich verkanten, oder weil die Körner durch einen Zement miteinander verkittet werden, beispielsweise weil kalkhaltige Wässer sukzessive die Räume zwischen den Körnern verstopft haben.

Solche magnetischen Felder werden beispielsweise durch einige Messgeräte erzeugt (Abb. 5.​21).

Bei allem ignorieren wir im Sinne des vereinfachenden Bildes, dass ein auf eine Höhe gerollter und dann losgelassener Ball natürlich aufgrund der zusätzlichen potenziellen Energie über seine ursprüngliche Ausgangsposition hinausschießen würde.

Dazu zählen magmatische Gesteine wie Basalte der Ozeanböden (Kap. 2), aber auch kaum magnetisch anmutende Sedimentgesteine, beispielsweise Salzgesteine, welche in abgeschlossenen Lagunen durch das Eindampfen von Meerwasser entstehen.

Gemeint sind hier insbesondere mithilfe von flüssigem Helium auf nahe den absoluten Nullpunkt bei −273 °C heruntergekühlte, supraleitende Messsensoren sogenannter Kryogenmagnetometer. Solche Magnetometer haben seit den frühen 1990er-Jahren zunehmend die Bandbreite von bis dato in der paläomagnetischen Forschung genutzten Magnetometern erweitert und damit enorme Mengen an – bis dato ungenutzter – magnetischer Information in Gesteinen für die Forschung zugänglich gemacht.

Jede remanente Magnetisierung klingt ab. Wenn dieser Prozess Millionen von Jahren dauert, bleibt Zeit genug, diese Magnetisierung im Labor zu messen, also auch in sehr alten Gesteinen. Hohe Temperaturen verkürzen die Relaxationszeit unter Umständen von Millionen von Jahren auf Bruchteile von Sekunden. Für geologische Untersuchungen ist das zu kurz.

In der Paläontologie stehen bekanntlich Fossilien vergangener Lebensformen im Zentrum des Interesses. Es mag sich um das versteinerte Skelett eines Dinosauriers handeln oder um Abdrücke mariner Mikrofossilien, deren delikate Spuren nur mit hochauflösenden Mikroskopen zu ergründen sind. Allen Fossilen ist jedoch gemeinsam, dass Wärme und Druck nach der Einbettung das Fossil zunehmend unkenntlich, gar nahezu unbrauchbar machen können. Als Beispiel für die Auswirkung von Druck (hier als zunehmende Auflast) in der Erdkruste stelle man sich das ausgestellte Skelett eines Sauriers im Naturkundemuseum vor und was damit geschehen würde, wenn wir Tonnen von Sand auf das Exponat schaufeln würden. Knochen würden aus ihrem Verbund gedrückt, und die dreidimensionale Gestalt würde zunehmend platt gedrückt – banal gesprochen, so wie ein mäßig aufgepumpter Ball, auf den man sich setzt. Eine Kugel wird zum Ellipsoid, ein Kreis zur Ellipse (Abb. 3.4). In ähnlicher Weise kann eine solche Deformation auch der Aufzeichnung des Erdmagnetfeldes in Gesteinen widerfahren – an dieser Stelle wollen wir uns eine gespeicherte magnetische Richtung als dreidimensionales Gebilde vorstellen. Wie ein solches Gebilde zu verstehen ist, werden wir im Folgenden besser verstehen.

Als geologisches Beispiel könnte dies in der Sonne eindampfendes Meereswasser im Rückbereich einer Lagune sein. Im täglichen Leben könnte man sich ansehen, wie eine Zuckerlösung auskristallisiert. In beiden Fällen wachsen die einzelnen Kristalle, indem sich nach und nach immer mehr Material um einen ersten, winzigen Kern herum anlagert. Für uns interessant: Auch „magnetische“ Minerale können auf diese Weise wachsen.

In Abb. 3.15 kommen wir nochmals auf ein ähnliches Problem gleichgerichteter Pfeile zu sprechen. Zur Illustration mag man die Abbildung auch an dieser Stelle verwenden.

Nein, nicht klassische Sedimente, sondern solche Sedimente, welche hauptsächlich aus klastischen, also mechanisch abgetragenen Bestandteilen früherer Gesteine bestehen.

Mit den transportierten Bruchstücken früherer Gesteine wird auch immer organisches Material im Sinne von Pflanzenresten, tierischen Resten und Kleinstlebewesen angeliefert werden. Wenn das Material langsam zu einem Sedimentgestein verfestigt wird, ist organisches Material sicherlich weniger dauerhaft als beispielsweise ein Quarzkorn. Wie wir in Abschn. 5.​2 lesen werden, setzt der Abbau von organischem Material in entstehenden Gesteinen wiederum Prozesse in Gang, welche sich auch und insbesondere auf die magnetischen Minerale auswirken.

Wissenschaftlich korrekter ist es hier, von Volumen statt Menge zu sprechen.

Dieser Wert und die folgenden Werte der Suszeptibilität sind völlig beliebig angenommen und plakativ. In der Realität gesteinsmagnetischer Messungen trifft man eher auf sehr kleine Zahlen in der Größenordnung von 10^–6 (ein Millionstel), was aber nichts am Prinzip des Erläuterten ändert.

Der Einfachheit halber verwenden wir in diesem Buch Begriffe wie „Geröll“, „Korn“ oder auch „Partikel“ nicht in ihrer wissenschaftlich strikten Definition, um uns auf die Bestandteile eines Sedimentgesteines zu beziehen. „Geröll“ und „Korn“ wecken im täglichen Sprachgebrauch eher die Assoziation mit gröberen Bestandteilen, „Partikel“ mit feineren Bestandteilen.

Zur Illustration dieser Begriffe mag man beispielsweise an die lokalen Abgrenzungen eines Sees gegenüber den eher regionalen Ablagerungen entlang eines lang gestreckten Küstenbereiches denken.