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Matzka, Jürgen (2001): Besondere magnetische Eigenschaften der Ozeanbasalte im Altersbereich 10 bis 40 Ma. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

In der hier vorgestellten Arbeit wurde gezeigt, daß das weltweit beobachtete Ph¨anomen geringer Intensit¨at der nat¨urlichen remanenten Magnetisierung von etwa 20 Ma alten Ozeanbasalten und das dadurch verursachte Minimum bei den Amplituden der ozeanischen Magnetfeldanomalien auf die Tieftemperaturoxidation der Titanomagnetite zu Titanomaghemiten zur¨uckzuf¨uhren ist. Dazu wurden magnetische und mineralogische Untersuchungen an etwa 100 durch das Deep Sea Drilling Project bzw. Ocean Drilling Program erbohrten Ozeanbasalten durchgef¨uhrt. Die Proben decken einen Altersbereich von 0.6 bis 135 Ma ab und stammen haupts¨achlich aus dem Atlantischen und Pazifischen Ozean. Tr¨ager der Magnetisierung bei den meisten Proben ist je nach Alter der Ozeanbasalte Titanomagnetit oder Titanomaghemit. Um den Oxidationsgrad der Titanomaghemite zu bestimmen, wurden die davon abh¨angigen Parameter Curie-Temperatur und Gitterkonstante gemessen sowie Mikrosonden-Analysen durchgef¨uhrt. Der Oxidationsgrad wird durch den von 0 (nicht oxidiert) bis 1 (vollst¨andig tieftemperaturoxidiert) variierenden Oxidationsparameter beschrieben. Es wurde nachgewiesen, daß die S¨attigungsmagnetisierung der Ozeanbasalte (gemessen bei Raumtemperatur) in gleicher Weise wie die Intensit¨at der nat¨urlichen remanenten Magnetisierung (NRM) mit dem Alter variiert und bei 10 bis 40 Ma alten Ozeanbasalten ein Minimum aufweist. Dieses Ph¨anomen wird durch die fortschreitende Tieftemperaturoxidation der Titanomaghemite verursacht, bei der Fe-Ionen bevorzugt aus den Oktaederpl¨atzen des ferrimagnetischen Gitters auswandern und verbleibende Fe2+-Ionen zu Fe3+-Ionen oxidiert werden. Die S¨attigungsmagnetisierung der ferrimagnetischen Titanomaghemite ist gleich der Untergittermagnetisierung der Fe-Ionen auf Oktaederpl¨atzen abz¨uglich der antiparallelen Untergittermagnetisierung der Fe-Ionen auf Tetraederpl¨atzen und nimmt deshalb mit der Tieftemperaturoxidation ab. Bei 10 bis 40 Ma alten Proben wird f¨ur die Titanomaghemite eine fast vollst¨andige Oxidation beobachtet. Der Oxidationsparameter erreicht hier einen Wert von ≈ 0.8. Bei noch ¨alteren Proben findet vermutlich eine Diffusion der Fe-Ionen aus den Tetraederl ¨ucken in die Oktaederl¨ucken statt. Dies k¨onnte die beobachtete Zunahme der S¨attigungsmagnetisierung im Altersbereich von 40 bis 130 Ma bei ungef¨ahr gleichbleibendem Oxidationsgrad der Titanomaghemite erkl¨aren. Zur weiteren Charakterisierung der Titanomaghemite wurde die Temperaturabh¨angigkeit der S¨attigungsmagnetisierung MS(T) bestimmt. Der Verlauf der MS(T)-Kurven h¨angt von der Zusammensetzung der Titanomaghemite ab und zeigt deshalb eine Abh¨angigkeit vom Alter der Proben. Die MS(T)-Kurven von Ferrimagnetika werden nach N´eel (1948) in verschiedene Typen eingeteilt, die sich jeweils aus dem Unterschied der Temperaturabh¨angigkeiten ihrer Untergittermagnetisierungen ergeben. Proben aus allen Altersbereichen zeigen ein Maximum bei MS(T) oberhalb des absoluten Nullpunktes der Temperatur. Bei einem Teil der 10 bis 40 Ma alten Proben wird außerdem beiT <-180◦C die Untergittermagnetisierung der Fe-Ionen auf den Tetraederpl¨atzen gr¨oßer als die der Fe-Ionen auf den Oktaederpl¨atzen. Diese Proben verhalten sich nach dem sogenannten N´eel N-Typ. Die anderen Proben entsprechen dem N´eel P-Typ. Bei den 10 bis 40 Ma alten Proben liegt das Maximum der S¨attigungsmagnetisierung oberhalb der Raumtemperatur, w¨ahrend bei den Proben aus den anderen Altersbereichen das Maximum der S¨attigungsmagnetisierung unterhalb der Raumtemperatur liegt. Dieses Ph¨anomen wurde genutzt, um den Einfluß der Tieftemperaturoxidation auf die NRM direkt zu untersuchen. Dazu wurde ein Magnetometer gebaut, mit dem die NRM zwischen Raumtemperatur und 600◦C gemessen werden kann. Die Messungen ergaben, daß sowohl die Temperaturabh¨angigkeit der NRM wie auch der S¨attigungsmagnetisierung in gleicher Weise von dem Alter der Proben abh¨angen. Insbesondere zeigen Proben aus dem Altersbereich 10 bis 40 Ma ein Maximum der NRM oberhalb der Raumtemperatur. Es konnte gezeigt werden, daß dieses Verhalten der Remanenz auf die Temperaturabh¨angigkeit der S¨attigungsmagnetisierung zur¨uckzuf¨uhren ist. Damit wurde der direkte Beweis erbracht, daß die NRM der Ozeanbasalte in gleicher Weise wie die anderen gesteinsmagnetischen Eigenschaften durch die Tieftemperaturoxidation der Titanomagnetite beeinflußt wird. Die geringe S¨attigungsmagnetisierung der Titanomaghemite im Altersbereich 10 bis 40 Ma ist verantwortlich f¨ur das Minimum der NRM-Intensit¨at und die geringen Amplituden der ozeanischen Magnetfeldanomalien. Um den Zusammenhang zwischen der Tieftemperaturoxidation und der ¨Anderung der S¨attigungsmagnetisierung zu veranschaulichen, wurden mit einem Molekularfeldansatz synthetische MS(T)-Kurven f¨ur verschiedene Verteilungen von Fe2+- und Fe3+-Ionen auf den Oktaeder- bzw. Tetraederl¨ucken der Titanomagnetite und Titanomaghemite berechnet. Dazu wurde die Fe-Ionenverteilung der ozeanischen Titanomagnetite nach Bleil und Petersen (1983) vorgegeben und mit zunehmendem Oxidationsgrad entsprechend dem von ihnen vorgeschlagenen Oxidationsprozeß ge¨andert. Durch Modifikation an dem von Bleil und Petersen (1983) vorgeschlagenen Oxidationsprozeß konnte die experimentell beobachtete Abh¨angigkeit der MS(T)-Kurven und der S¨attigungsmagnetisierung bei Raumtemperatur vom Oxidationsgrad qualitativ erkl¨art werden. Die 10 bis 40 Ma alten Ozeanbasalte fallen weiter durch eine vergleichsweise hohe magnetische Stabilit¨at auf. Die Titanomaghemite liegen hier als Einbereichsteilchen vor, die magnetische Stabilit¨at wird magnetoelastisch kontrolliert. Durch Druckexperimente wurden ihre inneren Spannungen σi ≈ 200 MPa und ihre isotrope Magnetostriktionskonstante λS ≈ 4 × 10−6 bestimmt. Bei den Proben aus den anderen Altersbereichen liegen die Titanomagnetite bzw. Titanomaghemite als Pseudo-Einbereichs- oder Mehrbereichsteilchen mit geringerer magnetischer Stabilit¨at vor. Die Altersabh¨angigkeit des Dom¨anenzustandes ist nicht auf eine Altersabh¨angigkeit der Korngr¨oße der Titanomaghemite, sondern auf die Altersabh¨angigkeit ihrer S¨attigungsmagnetisierung und damit ebenfalls auf die Tieftemperaturoxidation zur¨uckzuf¨uhren. Damit konnte in dieser Arbeit auch gezeigt werden, daß sich die 10 bis 40 Ma alten Ozeanbasalte nicht nur durch ihre geringe NRM, sondern durch eine ganze Reihe besonderer magnetischer Eigenschaften von den Ozeanbasalten der anderen Altersbereiche unterscheiden. Dies zeigt sich insbesondere in den Hystereseeigenschaften, die durch die geringe S¨attigungsmagnetisierung und die hohe magnetische Stabilit¨at dominiert werden, sowie in der Temperaturabh¨angigkeit der S¨attigungsmagnetisierung. Zur geographischen Verbreitung der 10 bis 40 Ma alten Ozeanbasalte sei auf Abb. 3.20 verwiesen. Die Messung der Temperaturabh¨angigkeit der NRM zeigte außerdem bei der 8 Ma alten Probe 157-49-2(131) eine Selbstumkehr oder partielle Selbstumkehr der NRM aufgrund magnetisch wechselwirkender Phasen. Bei diesen Phasen handelt es sich vermutlich um Titanomaghemit und Ti-armen Titanomagnetit.