Database-wide studies on the validity of the Geocentric Axial Dipole hypothesis in the Precambrian

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0088-7
Title: Database-wide studies on the validity of the Geocentric Axial Dipole hypothesis in the Precambrian
Author: Veikkolainen, Toni
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: A branch of science concentrated on studying the evolution of the Earth's magnetic field has emerged in the last half century. This is called paleomagnetism, and its applications include calculations of field directions and intensity in the past, plate tectonic reconstructions, variations in the conditions in the Earth s deep interior and the climatic history. With the increasing quantity and quality of observations, it has been even possible to construct models of conterminous continent blocks, or supercontinents, of the Pre-Pangaea time. These are crucial for the understanding of the evolution of our planet from the Archean to today. Paleomagnetists have traditionally heavily relied on the theory that when averaged over a period long enough, the Earth s magnetic field can be approximated as being equivalent to that generated by a magnetic dipole located at the center of the Earth and aligned with the axis of rotation. The credibility of this GAD (Geocentric Axial Dipole) hypothesis is strongest in the geologically most recent eras, such as most of the Phanerozoic and notably in the last 400 million years. Attempts to get an adequate view of the magnetic field in the Earth's earlier history have for a long time been challenged by the reliability limitations of Precambrian paleomagnetic data. With the absence of marine magnetic anomalies, observational data need to be gathered from terrestrial rocks, notably those formed within cratonic nuclei, the oldest and most stable parts of continents. To answer the call for a concise and comprehensive compilation of paleomagnetic data from the early history of the Earth, this dissertation introduces a unique database of over 3300 Precambrian paleomagnetic observations worldwide. The data are freely available at the server of the University of Helsinki (http://h175.it.helsinki.fi/database) and can be accessed via an online query form. All database entries have been coded according to their terranes, rock formation names, ages, rock types and paleomagnetic reliabilities. A new modified version of the commonly applied Van der Voo (MV) classification criteria for filtering the paleomagnetic data is also presented, along with a novel method for binning the entries cratonically to revise the previously employed way of applying binning via a simple evenly spaced geographic grid. Besides compiling data, tests of the validity of the GAD hypothesis in the Precambrian have been conducted using inclination frequency analysis and asymmetries of magnetic field reversals. Results from two self-contained tests of the GAD hypothesis suggest that the time-averaged Precambrian geomagnetic field may include the geocentric axial quadrupole and the geocentric axial octupole, but both with strengths less than 10% of the geocentric axial dipole, with the quadrupole perhaps being smaller than the octupole. In no other study a model so close to GAD has been reasonably fitted to the Precambrian paleomagnetic data. The weakness of the non-dipolar coefficients required also implies that no substantial adjustments need to be made to the novel models of Precambrian continental assemblies (supercontinents), such as the Paleo-Mesoproterozoic Columbia (Nuna) or the Neoproterozoic Rodinia. Although the supercontinent science still has plenty of uncertainty, it is more plausibly caused by the geological incoherence of the data and the lack of precise age information rather than by long-lived non-dipolar geomagnetic fields.Paleomagnetismi on viimeisen puolen vuosisadan aikana kehittynyt Maan muinaisen magneettikentän tutkimukseen keskittynyt tieteenala. Sitä voidaan soveltaa paitsi magneettikentän suuntien ja voimakkuuden laskentaan, myös mannerliikkeiden mallintamiseen, Maan syvärakenteen analysointiin ja jopa ilmastohistorian tutkimiseen. Paleomagneettisten havaintojen määrän ja laadun kasvun myötä on tullut myös mahdolliseksi koostaa malleja useiden mannerten muodostamista kokonaisuuksista eli ns. supermantereista. Niistä tunnetuimmat ovat Pangaea sekä sitä edeltävän ajan Rodinia ja Columbia. Paleomagneettinen menetelmä on pitkään nojannut oletukseen, jonka mukaisesti Maan magneettikentän pitkän aikavälin keskiarvoa voidaan riittävällä tarkkuudella kuvata pyörimisakselin suuntaisella dipolikentällä, jonka keskipiste yhtyy Maan keskipisteeseen. Tämän ns.keskeisdipolihypoteesin (GAD = Geocentric Axial Dipole) pätevyys on varmimmin kyetty osoittamaan viimeisten 400 vuosimiljoonan ajalle. Sitä varhaisemman ajan magneettikentän analysointia on pitkään haitannut havaintojen keskimääräisen laadun heikkeneminen geologisen ajan funktiona. Koska merenpohjan magneettiset anomaliat antavat tietoa geomagneettisesta kentästä vain noin 200 vuosimiljoonan taakse, yli 540 vuosimiljoonan takaisen prekambriajan paleomagneettinen data rajoittuu maanpäällisiin kiviin. Näistä erityisen käyttökelpoisia ovat mannerten sisäosissa sijaitsevien geologisesti stabiilien kratonien kivet. Tarve kattavalle ja helposti saatavilla olevalle Maan prekambrisen magneettikentän havaintotietokannalle johti Globaalin paleomagneettisen tietokannan (GPMDB = Global Paleomagnetic Database) kehittämiseen. Tässä väitöskirjassa on laadittu uusi yli 3300 havaintoa sisältävä PALEOMAGIA-niminen tietokanta, joka Globaalista paleomagneettisesta tietokannasta poiketen sisältää runsaasti vuoden 2004 jälkeen julkaistua aineistoa ja antaa käyttäjälle mahdollisuuden suodattaa havaintodataa laatukriteerien perusteella. Tietokannan aineisto on vapaasti saatavilla osoitteessa http://h175.it.helsinki.fi/database. PALEOMAGIA-tietokantaa on tässä väitöskirjassa sovellettu Maan magneettikentän keskeisdipolihypoteesin tutkimiseen kentän inklinaatiokomponentin tiheysjakaumaa ja kentän napaisuuskäännösten epäsymmetriaa hyödyntäen. Lisäksi väitöstyössä on esitetty uusi Maan muinaiseen geologiaan perustuva menetelmä prekambriajan havaintoaineiston alueellisen keskiarvoistuksen tekemistä varten. Saatujen tulosten nojalla on myös arvioitu tavallisimpien supermannermallien pätevyyttä. Väitöstyön tärkein johtopäätös kumoaa aiemmin esitetyt epäilykset Maan magneettikentän keskeisdipolimallin pätemättömyydestä prekambriaikana. Keskeisdipolin ohella kentän aikakeskiarvon kuvaamiseen tarvittavat kvadrupoli- ja oktupolikomponentit ovat voimakkuudeltaan alle 10 % keskeisdipolin voimakkuudesta, eivätkä ne vaikuta merkittävästi mannerten keskinäisiin sijainteihin supermannermalleissa. Mallien koostamista kuitenkin vaikeuttavat edelleen suuresti havaintoaineiston geologiset rajoitteet ja täsmällisen ikäinformaation puute.
URI: URN:ISBN:978-951-51-0088-7
http://hdl.handle.net/10138/135930
Date: 2014-10-10
Subject: geofysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
database.pdf 5.031Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record