Das Erdmagnetfeld im Neoproterozoikum: Neue Erkenntnisse aus einem hoch auflösenden paläomagnetischen Studium in Süd-China

• Antragsteller: Professor Dr. Stuart Alan Gilder
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413587100

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Paläomagnetische Aufzeichnungen von Gesteinen aus dem mittleren Neoproterozoikum (820-780 Ma) zeigen große Richtungsvariationen, die zu starken Diskrepanzen bei paläogeographischen Rekonstruktionen führen. Zu den Hypothesen zur Erklärung dieser Daten gehören eine schnelle wahre Polwanderung, eine Geometrie des erdmagnetischen Feldes, die von einem vorwiegend axialen Dipolfeld abweicht, ein sich ungewöhnlich häufig umkehrendes Feld (>10 Umkehrungen/Ma) und/oder unentdeckte Ummagnetisierung. Um diese unterschiedlichen Hypothesen zu testen, wurde eine hochauflösende Studie an einer durchgängigen Einheit benötigt. Wir haben eine geeignete Einheit identifiziert, von der wir im September 2019 in der Provinz Hunan (China), ~300 km von Wuhan, dem Epizentrum des Ausbruchs von Covid-19 4-5 Monate später, ~1200 Proben gesammelt haben. Die schrittweise thermische Entmagnetisierung der meisten Proben brachte stabile Entblockungsverläufe mit reproduzierbaren Richtungen hervor, wenn mehrere Proben in demselben Horizont gesammelt wurden. Über die 85 m der Einheit hinweg, die wir beprobt hatten, variierten die Richtungen jedoch stark. Drei Extremfälle der Magnetisierungskomponenten wurden identifiziert, die alle von Hämatit getragen werden. Ähnlichkeiten in den Entblockungsspektren machten die präzise Identifikation der charakteristischen Remanenz in vielen Proben schwierig, daher war unsere erste Aufgabe die Entwicklung einer Methode zur Entmischung der komplexen Magnetisierungen. Diese einzigartige Methode wurde Anfang 2023 veröffentlicht und sollte eine Standardtechnik zur Analyse und Interpretation paläomagnetischer Daten werden. Neben der schrittweisen Entmagnetisierung wurden die Proben einer weiten Reihe von Experimenten unterzogen, um ihre magnetischen Eigenschaften zu charakterisieren. Der für dieses Projekt verantwortliche Doktorand, Justin Tonti-Filippini, hat auch 6 Monate in Genf verbracht, um die hochpräzise U-Pb Datierung zu erlernen, die erfolgreich auf Tuffschichten, die in den oberen und niedrigen mittleren Teilen der Einheit beprobt wurden, anzuwenden, was uns ermöglichte, die Stratigraphie mit einem hohen Präzisionsgrad auf zwischen 809 und 804 Ma zu datieren. Die Proben wurden in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern am Institut de Physique du Globe de Paris auf mehrere geochemischen Parameter hin untersucht. Die Richtungen der Hochtemperaturkomponente sind leicht von der Lithologie abhängig. Mikroskopische und gesteinsmagnetische Analysen identifizieren mehrere Generationen von Hämatit, die in ihrer Konzentration variieren, und unterscheiden die Magnetisierungskomponenten voneinander. Dank der Entmischungsmethode konnten wir die gesteinsmagnetischen und geochemischen Eigenschaften der Proben entsprechend dem Anteil jeder der drei Magnetisierungskomponenten gewichten. Ein Vergleich mit anderen paläomagnetischen Studien des mittleren Neoproterozoikums in der Region weist darauf hin, daß die plötzlichen Änderungen in den paläomagnetischen Richtungen, die an anderer Stelle zur Unterstützung der Hypothese einer schnellen wahren Polwanderung (ca. 805 Ma) verwendet wurden, durch Mischungen von primären und ummagnetisierten Komponenten und/oder Rotationen um die vertikale Achse besser erklärt werden können. Insgesamt legt das Ergebnis dieser Arbeit nahe, daß Südchina an einer Position hoher Breite verblieben ist, während es Modelle, die eine außergewöhnlich schnelle Rotation der starren Erde oder komplizierte Magnetfeldkomponenten höherer Ordnung als Dipol benötigen, zurückweist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• The Neoproterozoic geomagnetic field: new insights from a high-resolution paleomagnetic study in South China.
  Tonti-Filippini, Justin; Robert, Boris; Muller, Élodie; Wack, Michael; Zhao, Xixi & Gilder, Stuart
  
• Vector unmixing of multicomponent palaeomagnetic data. Abstract presented at the 17th Castle Meeting in Croatia, 28 August-3 September
  Tonti-Filippini, J. & Gilder, S.
  
• Vector unmixing of multicomponent palaeomagnetic data. Geophysical Journal International, 233(3), 1632-1654.
  Tonti-Filippini, Justin A. D. & Gilder, Stuart A.
  
• Challenging the hypothesis of rapid true polar wander in the Neoproterozoic: A multi-disciplinary study of the complex paleomagnetic record from Yangjiaping, South China, PhD Dissertation, LMU-Munich, 132 pp
  Tonti-Filippini, J.
  
• Middle Neoproterozoic (Tonian) polar wander of South China: Paleomagnetism and ID-TIMS U-Pb geochronology of the Laoshanya Formation.
  Tonti-Filippini, Justin; Robert, Boris; Muller, Elodie; Paul, André N.; Dellefant, Fabian; Wack, Michael R.; Meng, Jun; Zhao, Xixi; Schaltegger, Urs & Gilder, Stuart
  
• Middle Neoproterozoic (Tonian) Polar Wander of South China: Paleomagnetism and U-Pb Geochronology of the Laoshanya Formation. Abstract (GP14A-06) presented at the AGU Fall Meeting in San Francisco, 11-15 December
  Tonti-Filippini, J., Robert, B., Muller, E., Paul, A., Dellefant, F., Wack, M., Meng, J., Schaltegger, U., Zhao, X. & Gilder, S.
  
• Vector unmixing of multicomponent palaeomagnetic data. Abstract (GP23A-05) presented at the AGU Fall Meeting in San Francisco, 11-15 December
  Tonti-Filippini, J. & Gilder, S.
  
• Vector unmixing of multicomponent palaeomagnetic data. Abstract presented at the MagIC Workshop in San Diego, 28 February-2 March
  Tonti-Filippini, J. & Gilder, S.
  
• Deciphering paleomagnetic signals in Precambrian red beds. Abstract presented at Magnetic Interactions in Leeds, 4-5 January
  Tonti-Filippini, J.