Assessing Holocene and late Pleistocene geomagnetic dipole field variability

Abstract

Palaeomagnetic studies of continuous geological archives and archaeological artefacts are required to reconstruct geomagnetic field changes beyond the range of historical observations. In this thesis I assess the reliability of sedimentary palaeomagnetic data and Holocene dipole field reconstructions. New palaeomagnetic records are presented from a maar crater lake in New Zealand and a post-glacial lake in Sweden. The fidelity of the data is evaluated through comparisons with sediment parameters sensitive to environmental change and measurement of cosmogenic radionuclides. The results are used to date the sediments and to study regional and global geomagnetic field variations over the past 50,000 years. The Holocene dipole tilt variation is reconstructed by averaging virtual geomagnetic poles from five sedimentary palaeomagnetic records. The data are selected based on palaeomagnetic quality, chronologic constraint and location, with an emphasis on attaining a globally well-distributed data set. The results indicate a cyclical behaviour of the dipole tilt with a period of c. 1350 years. In addition, two preferred states of the dipole axis are identified with north geomagnetic pole longitudes confined to c. 120° West or 30° East. The performance of the dipole tilt reconstruction is compared to more complex geomagnetic field models. The comparison highlights inconsistencies within the sedimentary palaeomagnetic database that may smooth out variations of the dipole component and potentially shift power to higher degree components of the more complex field models. Independent geomagnetic field intensity data from western Eurasia and North America are shown to be consistent with the dipole tilt reconstruction. The cyclical tilt variation and the two preferred states of the dipole axis are interpreted in terms of displacement and/or distortions of high latitude flux lobes on the core mantle boundary. Based on palaeomagnetic directions and palaeointensity data, the two tilt maxima at 2650 and 1200 years BP are tentatively associated with the presence of high intensity magnetic flux beneath Europe. The dipole tilt reconstruction is highly correlated to millennial scale variations in the length of day, reconstructed from ancient records of eclipses, which suggests that the 1350-year cyclicity may constitute an important component of core flow dynamics.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det jordmagnetiska fältet kan till stor del (80-90%) beskrivas av ett dipolfält, producerat av en magnet i mitten av jorden med en lutning på 11° från rotationsaxeln. Magnetfältet genereras av konvektionsströmmar i den flytande järnrika yttre delen av kärnan i form av en jättelik dynamo, och tros ha varit aktivt sedan kärnan bildades för ungefär 4.5 miljarder år sedan. Det jordmagnetiska fältet är långt ifrån statiskt, utan förändras kontinuerligt på tidskalor som sträcker sig från millisekunder till miljontals år. Så kallade polomvändningar, då nord och sydpol byter plats, tillhör de mest kända och dramatiska förändringarna. Den senaste polomvändningen inträffade för ungefär 780 000 år sedan.



Jordens magnetfält utgör ett viktigt skydd mot strålning från bland annat solen. Utan ett aktivt magnetfält skulle jordens atmosfär successivt ha blåst bort av solvinden, och planeten hade varit obeboelig för människor. Det har även föreslagits att förändringar i det jordmagnetiska fältet indirekt kan påverka jordens klimat. Traditionellt sett har rekonstruktioner av förändringar i jordens magnetfält använts inom geovetenskapen för att: (i) spåra rörelser av kontinentalplattor, (ii) korrelera och datera geologiska arkiv och (iii) studera jordens inre.



Historiska mätdata från magnetiska observatorier i kombination med framförallt kompassavläsningar noterade i loggböcker från olika rederier har gjort det möjligt att rekonstruera förändringar i jorden magnetfält de senaste 400 åren. Längre bak i tiden baseras studier av det jordmagnetiska fältet huvudsakligen på paleomagnetiska data. Naturliga remanenta magnetiseringar i olika geologiska och arkeologiska arkiv bevarar information om det forna magnetfältets riktning och intensitet. De remanenta magnetiseringarna förvärvas vid avsvalnad av ett magnetiskt material (t.ex: lavaflöden, bränd keramik, stenugnar) genom dess curietemperatur (580° C för magnetit) eller vid deposition av magnetiska mineralkorn i vatten under lugna förhållanden (sjö- eller havssediment).



I den här studien har jag fokuserat framförallt på paleomagnetiska analyser av sjösediment. Naturliga processer såsom vittring och erosion medför en kontinuerlig tillförsel material till sjöar som förr eller senare avlagras som bottensediment. Magnetiska mineral är vanligt förekommande i framförallt basiska bergarter (t.ex. diabas), men kan även produceras av så kallade magnetotaktiska bakterier som använder de magnetiska kristallerna för att orientera sig i vattenkolumnen. När de magnetiska mineralen sjunker till sjöbotten, där det råder lugna och relativt strömfria vattenförhållanden, riktar de in sig efter jordens magnetfältet. Orienteringen av mineralkornen fixeras och bevaras i sedimenten genom att de magnetiska mineralkornen kilas fast av omgivande mineralkorn. Sjösedimenten fungerar på så sätt som ett naturligt arkiv av magnetfältet. Under flera årtusenden kan metervis av sediment deponeras, och genom att mäta den remanenta magnetiseringen i sedimentprover från olika sedimentdjup går det att återskapa lokala förändringar i det jordmagnetiska fältet.



En alternativ metod för att rekonstruera förändringar i jordens magnetfält baseras på koncentrationsmätningar av kosmogena nukleider (t.ex. 14C och 10Be) i sediment, iskärnor eller trädringar. Kosmogena nukleider bildas i atmosfären genom interaktioner mellan kosmisk strålning och atomer i atmosfären. Eftersom jordens magnetfält agerar som ett skydd mot kosmisk strålning är produktionen av kosmogena nukleider omvänt relaterad till styrkan av magnetfältet, dvs ett svagare magnetfält leder till att mer kosmogena nukleider bildas.



I jämförelse med historiska mätdata är informationen om jordens magnetfält som erhålls från paleomagnetisk data och kosmogena nukleider förknippad med relativt stora osäkerheter. Det genomgående syftet med den här avhandlingen har varit att granska tillförlitligheten av paleomagnetiska rekonstruktioner från enskilda studier och globala modeller.



I den första delen av studien valdes två sjöar ut för paleomagnetiska analyser: Lake Pupuke i Nya Zeeland och Kälksjön i Sverige. Datakvaliteten utvärderades genom att jämföra de paleomagnetiska resultaten med klimatkänsliga sedimentparametrar och oberoende rekonstruktioner baserade på kosmogena nukleider. Målet med studierna var att datera sedimenten genom att identifiera kända regionala eller globala variationer i jordens magnetfält, och att studera variationer i det jordmagnetiska fältets intensitet.



I den andra delen av studien presenteras nya modeller av jordens dipolfält för de senaste 9000 åren. Rekonstruktionerna är baserade på paleomagnetiska studier från fem sjöar, strategiskt utvalda med hänsyn till datakvalitet, osäkerheter i åldersbestämning och geografiskt läge. Resultaten antyder att dipolfältets lutning varierar i cykler med 1350 års intervall. Rekonstruktionerna indikerar även att dipolfältet har karakteriseras av två olika konfiguartioner de senaste 9000 åren; antingen med en lutning mot Nordamerika (dagens fält inkluderat) eller mot Europa. Ett sådant bestående asymmetriskt mönster kan ses som en indikation på att magnetfältet påverkas av en eller flera externa faktorer (utanför kärnan) , t.ex. temperaturskillnader i den nedre manteln.



De cykliska variationerna i dipolfältets lutning överensstämmer väl med rekonstruktioner av jordens rotationshastighet de senaste 2500 åren. Sådana variationer har tolkats som ett utbyte av rörelsemängdsmomentum mellan manteln och kärnan på grund av longitudinella flödesvariationer i den yttre kärnan. Med andra ord, om kärnans rotationshastighet ökar måste manteln (och jordskorpan) rotera långsammare för att bevara jordens totala rörelsemängdsmomentum. Det utmärkta sambandet mellan de båda rekonstruktionerna antyder att 1350-års periodiciteten kan utgöra en viktig komponent i kärnans flödesdynamik.



Resultaten från den här avhandlingen demonstrerar potentialen av att använda sedimentära paleomagnetiska data för att rekonstrura förändringar i jordens magnetfält, men påpekar även brister i den nuvarande databasen och vikten av en nogrann granskning vid urvalet av data.

• author: Nilsson, Andreas
• supervisor: Ian Snowball; Raimund Muscheler; Per Sandgren; Svante Björck
• opponent: Associate Professor Stoner, Joseph, College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Oregon State University
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: Geomagnetic field, palaeomagnetism, the Holocene, dipole tilt, dipole moment, cosmogenic radionuclides
• in: Lundqua thesis
• issue: 64
• pages: 28 pages
• defense location: Department of Earth and Ecosystem Sciences, Division of Geology, Quaternary Sciences, Lund University, Sölvegatan 12, 223-62 Lund; in Pangea
• defense date: 2011-06-10 13:15:00
• external identifiers: scopus:84856183196
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-86746-69-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: cff8d825-7aa2-4ea8-9a23-131a5bd19d22 (old id 1962850)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:48:45
• date last changed: 2022-01-27 21:10:40