Features of the geomagnetic field during the Holocene and Proterozoic

Abstract

The geomagnetic field is one of the most fundamental geophysical properties of the Earth and has significantly contributed to our understanding of the internal structure of the Earth and its evolution. Paleomagnetic and paleointensity data have been crucial in shaping concepts like continental drift, magnetic reversals, as well as estimating the time when the Earth's core and associated geodynamo processes begun.

The work of this dissertation is based on reliable Proterozoic and Holocene geomagnetic field intensity data obtained from rocks and archeological artifacts.

New archeomagnetic field intensity results are presented for Finland, Estonia, Bulgaria, Italy and Switzerland. The data were obtained using sophisticated laboratory setups as well as various reliability checks and corrections. Inter-laboratory comparisons between three laboratories (Helsinki, Sofia and Liverpool) were performed in order to check the reliability of different paleointensity methods. The new intensity results fill up considerable gaps in the master curves for each region investigated.

In order to interpret the paleointensity data of the Holocene period, a novel and user-friendly database (GEOMAGIA50) was constructed. This provided a new tool to independently test the reliability of various techniques and materials used in paleointensity determinations. The results show that archeological artifacts, if well fired, are the most suitable materials. Also lavas yield reliable paleointensity results, although they appear more scattered. This study also shows that reliable estimates are obtained using the Thellier methodology (and its modifications) with reliability checks.

Global paleointensity curves during Paleozoic and Proterozoic have several time gaps with few or no intensity data. To define the global intensity behavior of the Earth's magnetic field during these times new rock types (meteorite impact rocks) were investigated. Two case histories are presented. The Ilyinets (Ukraine) impact melt rocks yielded a reliable paleointensity value at 440 Ma (Silurian), whereas the results from Jänisjärvi impact melts (Russian Karelia, ca. 700 Ma) might be biased towards high intensity values because of non-ideal magnetic mineralogy.

The features of the geomagnetic field at 1.1 Ga are not well defined due to problems related to reversal asymmetries observed in Keweenawan data of the Lake Superior region. In this work new paleomagnetic, paleosecular variation and paleointensity results are reported from coeval diabases from Central Arizona and help understanding the asymmetry. The results confirm the earlier preliminary observations that the asymmetry is larger in Arizona than in Lake Superior area. Two of the mechanisms proposed to explain the asymmetry remain plausible: the plate motion and the non-dipole influence.

Magneettikenttä on yksi Maapallon tärkeimmistä geofysikaalisista ominaisuuksista. Maan magneettikentän ymmärtäminen on vaikuttanut merkittävästi käsitykseemme Maan sisäisestä rakenteesta ja kehityksestä. Paleomagneettiset ja paleointensiteettitulokset ovat edelleen tärkeässä asemassa muokattaessa mannerlaattojen liikkeiden ja magneettisten napakäännösten käsitteitä. Näiden tulosten avulla voidaan myös arvioida, milloin Maan ytimen ja siellä vaikuttavan geodynamon toiminta alkoi.

Tämä väitöskirjatyö perustuu luotettavaan Proterotsooiseen ja Holoseeniseen geomagneettisen kentän intensiteettitietoon, joka on mitattu kivistä ja arkeologisista esineistä.

Väitöskirjassa esitetään uusia arkeomagneettisia intensiteettituloksia Suomesta, Virosta, Bulgariasta, Italiasta ja Sveitsistä. Mittaamisessa käytettiin uusia, kehittyneitä laboratoriomenetelmiä sekä erilaisia luotettavuustarkistuksia ja korjauksia. Paleointensiteettimenetelmien luotettavuutta testattiin tekemällä vertailumittauksia Helsingin, Sofian ja Liverpoolin laboratorioiden välillä. Uudet intensiteettitulokset täydentävät tutkittujen alueiden intensiteettien peruskäyriä.

Jotta Holoseenikauden paleointensiteettitietoa pystyttiin paremmin analysoimaan ja tulkitsemaan, kehitettiin ja koottiin uusi käyttäjäystävällinen tietokanta, GEOMAGIA50. Tämän avulla voitiin laajasti testata paleointensiteettimäärityksissä käytettyjen tekniikoiden ja materiaalien luotettavuutta.

Globaaleissa Paleotsooisissa ja Proterotsooisissa paleointensiteettikäyrissä on useita ajanjaksoja, joissa intensiteettitietoa on hyvin vähän saatavilla. Tässä työssä tutkittiin myös uusia kivityyppejä (mm. meteoriitin aiheuttamat törmäyskivet), jotta saatiin määriteltyä Maan magneettikentän intensiteetin käyttäytyminen kyseisinä puuttuvina ajanjaksoina.

Geomagneettisen kentän ominaisuudet n. 1.1 Ga sitten tunnetaan huonosti, koska tämän ikäisten kivien magneettikenttä, erityisesti Yläjärven alueen (Pohjois-Amerikka) kivissä, on epäsymmetrinen. Tässä työssä esitetään uusia paleomagneettisia, paleosekulaarivaihtelun ja paleointensiteetin tuloksia vastaavan ikäisistä keskisen Arizonan diabaaseista, jotka osaltaan auttavat ymmärtämään havaittua magneettikentän epäsymmetriaa. Tulokset varmistavat aikaisemmat havainnot siitä, että epäsymmetria on suurempi Arizonassa kuin Yläjärven alueella. Työssä pohditaan mahdollisia mekanismeja, jotka voivat aiheuttaa epäsymmetriaa.