Variación de la paleointensidad absoluta del campo magnético terrestre registrada en secuencias de coladas basálticas de la región volcánica de Djavakheti (Georgia)
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Sánchez Moreno, Elisa
2019-A
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Esta tesis es una contribución al conocimiento de la variabilidad en dirección e intensidad del campo magnético de la Tierra en periodos de tiempo geológicos. Se ha analizado el registro proporcionado por tres secuencias de coladas de lava basáltica, Apnia, Korkhi y Dashabashi, situadas en la meseta de Djavakheti, en el sector central del Cáucaso menor (Sur de Georgia). El periodo de tiempo que comprenden las secuencias objeto de estudio, determinado mediante dataciones K-Ar, va desde los 3.75 ± 0.25 Ma hasta los 1.85 ± 0.08 Ma. Los análisis realizados se basan en la capacidad de las rocas para registrar el campo magnético terrestre en el momento de su formación. La tesis proporciona información sobre tres áreas de estudio diferentes: 1) Las características de los minerales portadores de la magnetización, 2) las direcciones paleomagnéticas y 3) las determinaciones de la paleointensidad absoluta.
En primer lugar se realizaron experimentos de magnetismo de rocas y análisis de láminas delgadas para conocer las características de los minerales portadores de la magnetización y para seleccionar las muestras destinadas a los experimentos de paleointensidad. Se observaron curvas termomagnéticas reversibles e irreversibles. Las muestras con comportamientos irreversibles no fueron utilizadas en los experimentos de paleointensidad. El principal mineral portador de la magnetización identificado mediante los experimentos de magnetismo de rocas es la titanomagnetita con bajo contenido en titanio. En varias muestras también se identificó titanomagnetita con mayor contenido en titanio y en algunos casos titanomaghemita, producto de la oxidación a bajas temperaturas (maghemitización). Las curvas de adquisición de magnetización remanente isoterma (IRM), curvas de backfield y los ciclos de histéresis indicaron un comportamiento pseudo-monodominio (PSD), que se interpreta como debido a una mezcla de granos SD y MD. Por otra parte, los análisis de microscopía han permitido observar exoluciones de ilmenita en la titanomagnetita, generados por procesos de oxidación deutérica a altas temperaturas. Este proceso indica que la magnetización registrada es una termorremanencia original. Los experimentos confirman que gran parte las rocas objeto de estudio en esta tesis son en principio adecuadas para la realización de experimentos de determinación de la paleointensidad absoluta.
En segundo lugar se llevaron a cabo experimentos de desmagnetización de la magnetización remanente natural (NRM) para la obtención de las direcciones paleomagnéticas registradas en cada una de las coladas de lava que constituyen las tres secuencias. Las secuencias de coladas de lava permiten obtener una sucesión de instantáneas de la dirección e intensidad del campo en el lugar donde se formaron las rocas, por lo que proporcionan un registro instantáneo y relativamente continuo a escala geológica del comportamiento del campo magnético terrestre (CMT). Para la interpretación de las direcciones paleomagnéticas se aplicaron diferentes tipos de análisis con el objetivo de caracterizar el comportamiento del campo registrado. Tras calcular los polos geomagnéticos virtuales (VGP, virtual geomagnetic pole) correspondientes a la dirección registrada en cada colada, se comparó su media con el polo geomagnético esperado para la misma edad. También se realizó un análisis de la
dispersión angular de estos VGP, respecto a su propia media y respecto al polo esperado, y una comparación con la dispersión de la variación paleosecular (PSV, paleosecular variation) esperada para la latitud y edad de las secuencias. Las direcciones estadísticamente similares se agruparon en grupos direccionales, que pueden proporcionar una imagen de la tasa de emisión de las coladas y con los que también se realizaron análisis de la dispersión angular de sus VGP medios.
La interpretación de los análisis aplicados a las direcciones paleomagnéticas ha permitido identificar diferentes comportamientos del CMT para cada secuencia. El registro del CMT de la secuencia de Apnia muestra de un tramo de polaridad inversa, seguido de una polaridad intermedia y un tramo de polaridad normal. La secuencia de Korkhi está dividida en dos subsecuencias de diferente edad mediante una superficie de erosión. Korkhi inferior muestra un registro de polaridades normales estables. En Korkhi superior se obtuvieron dos polaridades transicionales y seis polaridades inversas que muestran direcciones anómalas. En cuanto a la secuencia de Dashbashi, se han obtenido polaridades inversas en las tres secciones que la constituyen. Aproximadamente la mitad de las coladas presenta un VGP de baja latitud, inferior a 60°. La información obtenida no es suficiente para descartar un registro de régimen anómalo, un registro donde la PSV no ha sido correctamente promediada en el tiempo o posibles rotaciones tectónicas entre las diferentes secciones y/o de la secuencia completa.
La obtención de la paleointensidad absoluta registrada en las secuencias de coladas de lavas, se ha afrontado desde la propuesta de dos estrategias metodológicas diferentes, motivada por la dificultad en la obtención de datos fiables reflejada en los estudios de este tipo. La tendencia en este campo se dirige hacia un incremento de datos ideales disponibles en las bases de datos, que permitan realizar modelos del comportamiento del CMT más precisos.
La primera estrategia ha consistido en la interpretación de determinaciones de paleointensidad realizadas con técnicas de tipo Thellier, mediante la aplicación automática de un conjunto de criterios muy estricto, con el objetivo que obtener resultados de la mayor calidad. Los técnicas tipo Thellier tienen un fundamento físico riguroso y décadas de trayectoria experimental. En el presente estudio se emplearon el método original Thellier-Thellier (Thellier and Thellier, 1959) y el método IZZI (Yu et al., 2004). Los resultados de las determinaciones de paleointensidad se consideran fiables cuando cumplen un conjunto de criterios de selección que se aplican a modo de filtro, para evaluar la calidad de las condiciones del experimento, la presencia o ausencia de alteración y la cantidad de magnetización asociada a granos MD. El conjunto de criterios y valores umbral estrictos utilizados ha sido el propuesto por Cromwell et al. (2015b), denominado CCRIT (Tauxe et al., 2016). Estos criterios y valores umbral se han comprobado en especímenes magnetizados en un campo histórico o de laboratorio conocidos para confirmar su fiabilidad (Cromwell et al., 2015a; Tauxe et al., 2016). El análisis de los datos de paleointensidad puede implicar un cierto grado de subjetividad. Por esta razón y con la finalidad de conseguir unas interpretaciones objetivas, se han aplicado los criterios de selección de forma automática, utilizando el programa Thellier GUI (Shaar et al., 2013).
Las paleointensidades obtenidas mediante este enfoque en ocho de las coladas de lava de la secuencia de Apnia muestran en su tramo inferior de polaridad inversa un
momento axial dipolar virtual (VADM, virtual axial dipolar moment) de entre 28.6 y 45.6 ZAm2. En el tramo superior de polaridad normal se obtuvo un VADM de 54.6 ZAm2, en una única colada de lava. En la subsecuencia de Korkhi inferior se obtuvieron tres resultados con VADM relativamente bajos de 27.4, 46.2 y 49.8 ZAm2.
El segundo planteamiento propone un enfoque multimétodo que busca proporcionar un criterio de fiabilidad adicional a los resultados de paleointensidad, mediante la coincidencia entre los resultados obtenidos con diferentes métodos, ya que los diferentes protocolos de determinación de paleointensidad utilizados se basan en la adquisición y destrucción de la magnetización en diferentes estados de equilibrio energético, en función de la temperatura, el campo aplicado, el campo desmagnetizador, etc., en las diferentes etapas del experimento. La consistencia de resultados procedentes de métodos basados en diferentes principios, respalda su fiabilidad (Biggin et al., 2015; Biggin y Paterson, 2014; Calvo-Rathert et al., 2016; De Groot et al., 2013; Monster et al., 2015). En el presente estudio, el procedimiento multimétodo se llevó a cabo comparando y promediando resultados de tipo Thellier, con los resultados obtenidos de determinaciones tipo multiespécimen (MSP). Para ello, se reinterpretaron los datos de los experimentos Thellier-Thellier e IZZI anteriormente mencionados, empleando criterios de selección usados comúnmente en los estudios de paleointensidad. En la comparación, se tomaron como referencia principal los resultados de tipo Thellier, ya que estos cuentan con un fundamento físico riguroso y una larga trayectoria experimental. Por otro lado, este tipo de análisis también fue útil para discutir y evaluar el rendimiento del método MSP en comparación con los métodos de tipo Thellier.
Los métodos de tipo multiespécimen pertenecen a una línea de técnicas todavía controvertida y en estado de evaluación. Se han aplicado dos variantes del método, el método original MSP-DB (Biggin y Poidras, 2006; Dekkers y Böhnel, 2006) y el método MSP-DSC (domain state correction) (Fabian y Leonhardt, 2010), que incorpora una serie de correcciones que tienen en cuenta la fracción de la magnetización utilizada en la determinación y el estado de dominios de los granos magnéticos.
En la secuencia de Apnia, con el enfoque multimétodo se han obtenido valores de VADM entre 21.2 y 41.8 ZAm2 para el tramo inferior de polaridad inversa, mientras que la colada de polaridad transicional presenta un valor de 42.9 ZAm2 y en el tramo superior de polaridad normal los VADM varían entre 50.9 y 70.5 ZAm2. En la subsecuencia de Korkhi inferior los VADM varían entre 24.2 a 56.1 ZAm2. Por último, en la subsecuencia de Korkhi superior se ha obtenido una única paleointensidad de valor muy elevado, que proporciona un VADM de 128 ZAm2.
Por otra parte, en la secuencia de Dashbashi solo se ha aplicado el método multiespécimen sin correcciones (MSP-DB), con el que se han obtenido VADM de 15.9 ZAm2 a 85.2 ZAm2. Si tenemos en cuenta la sobreestimación de la paleointensidad del método MSP-DB respecto al MSP-DSC que se ha observado en algunos trabajos, cabría esperar unos valores de intensidad de aproximadamente un 20% inferiores.
El estudio de registros de inversiones de polaridad, realizado durante las últimas décadas, ha permitido establecer un comportamiento asimétrico de la intensidad durante las transiciones del campo magnético terrestre, que consiste en un decaimiento
progresivo previo a la transición direccional y una recuperación rápida después de la finalización del cambio de polaridad (véase Valet et al., 2005 y la revisión reciente de Valet y Fournier, 2016). Por otra parte, los estudios sobre el campo magnético promediado en el tiempo, que representa la intensidad de los periodos de polaridad estable, divergen en dos resultados diferentes. Por un lado se obtienen valores de entre 42 y 48 ZAm2 (Juárez et al., 1998; Tauxe, 2006; Selkin and Tauxe, 2000) y por el otro se defiende un campo promediado en el tiempo de intensidad similar a la actual (~80 ZAm2) (e. g. Tanaka et al., 1995b).
Los valores de VADM medios obtenidos en los tramos previo y posterior a la polaridad transicional de la secuencia de Apnia, son respectivamente de 36.6 y 54.6 ZAm2 con la estrategia de determinaciones tipo Thellier bajo el criterio CCRIT, y de 30.8 y 61.9 ZAm2 con el enfoque multimétodo. Se puede observar que el VADM de la parte inferior de Apnia, antes del cambio de polaridad, está por debajo de la media de las estimaciones más recientes de campo promediado débil para los últimos 5 Ma, y en el tramo superior por encima. Dada la sucesión de polaridades que muestra la secuencia, el registro parece ajustarse al patrón asimétrico de intensidad descrito para las transiciones de polaridad, en el cual las intensidades bajas observadas en el tramo inferior de Apnia corresponden al decrecimiento de la intensidad previo a la transición direccional, y las superiores a la recuperación de las intensidades después de la transición.
En la subsecuencia de Korkhi inferior se obtienen VADM medios de 41.1 y 37.4 ZAm2 con cada estrategia (Thellier & CCRIT y multimétodo, respectivamente), junto a una sucesión de polaridades normales estables, por lo que el registro parece coincidir con la interpretación de un campo promediado en el tiempo de baja intensidad. Sin embargo, tampoco se puede excluir un registro previo a una inversión de polaridad direccional, donde se observa una caída de la intensidad. La subsecuencia de Korkhi superior es un registro reducido de polaridades inversas-intermedias que produce un único valor de VADM de 128 ZAm2 mediante el enfoque multimétodo. Este valor extremo, podría encajar en la descripción de un registro producido en la parte final de una transición de polaridad, donde hay una alta variabilidad direccional y de intensidad.
This thesis is a contribution to the knowledge about the variations in direction and intensity of the ancient Earth’s magnetic field. Records from three sequences of basaltic lava flows, Apnia, Korkhi and Dashabashi, which are located in the Djavakheti Plateau, in the central sector of the Lesser Caucasus (South Georgia), have been analyzed. K-Ar data yield an age span encompassed by the three sequences under study ranging from 3.75
± 0.25 Ma to 1.85 ± 0.08 Ma. Analyzes performed in the present study rely on the ability of rocks to record the Earth’s magnetic field at the time of their formation. The present thesis seeks to provide information about three different study areas: 1) The characteristics of the remanence carrying minerals, 2) paleomagnetic directions and 3) the determination of the absolute paleointensity.
Rock magnetism experiments and microscopy analysis of thin sections were carried out to understand the characteristics of the remanence carrying minerals and to select samples for paleointensity experiments. Reversible and irreversible thermomagnetic curves were observed, and samples with irreversible behavior were not used for paleointensity experiments. Rock-magnetism experiments allowed to identify low-Ti titanomagnetite as the main carrier of remanence. In several samples, titanomagnetite with a higher content of titanium was also identified, and in some cases titanomaghemites produced by low-temperature of oxidation (maghemitization) could be observed. Isothermal remanent magnetization acquisition curves (IRM), backfield curves and hysteresis cycles pointed towards a pseudo-monodomain behavior (PSD), which was interpreted as due to a mixture of SD and MD grains. Ilmenite exsolution in titanomagnetite generated by deuteric oxidation at high temperatures could be detected by means of ore- microscopy observations, indicating that the recorded magnetization is an original thermoremanence. Rock-magnetic experiments confirm that many of the rocks studied in the present thesis could be suitable for carrying out absolute paleointensity determination experiments.
The natural remanent magnetization (NRM) was subjected to demagnetization experiments to determine the paleomagnetic directions recorded in each of the lava flows forming all three sequences. Lava flow sequences allow to obtain a succession of snapshots of the direction and intensity of the field in the place where the rocks were formed, so that they can provide an instantaneous and relatively continuous record on a geological scale of the behavior of the Earth’s magnetic field (EMF). Different types of analysis were applied for the interpretation of paleomagnetic directions in order to characterize the behavior of the recorded field. After calculating the virtual geomagnetic poles (VGPs) obtained from the paleomagnetic directions recorded in each lava flow, their mean value was determined and compared with the expected geomagnetic pole for the same age. An analysis of the angular VGP scatter, with respect to their own mean value and to the expected pole was also performed, and results were compared with the expected scatter of the paleosecular variation (PSV) at the sequences’ latitude and age. Statistically similar directions were grouped into directional groups, which can provide an image of the lava flow emission rate. An analysis of the angular scatter of directional groups was also performed.
Interpretation of paleomagnetic directions has allowed to identify different kinds of behavior of the EMF for each sequence. The Apnia sequence displays a reverse polarity record, which is overlain by an intermediate polarity flow and a normal polarity section. The Korkhi sequence is divided by an erosion surface into two subsequences of different age. Lower-Korkhi shows a record of stable normal polarities. In Upper-Korkhi two transitional polarities were observed together with six reverse polarity flows that show anomalous directions. The Dashbashi sequence, shows reverse polarities in the three sections comprising it. Approximately half of the flows yield a low latitude VGP, of less than 60°. The available information does not allow to rule out the record of an anomalous EMF regime, a record with non-correctly averaged PSV or possible tectonic rotations between the different sections and/or the complete sequence.
Two different methodological strategies have been applied to determine the absolute paleointensity recorded in the lava flow sequences. This kind of approach has been addressed due to the difficulty in obtaining reliable paleointensity data. An increase of ideal data in the databases is necessary, to allow for more accurate EMF behavior models.
The first strategy consisted in the interpretation of paleointensity determinations carried out with Thellier-type techniques, by means of the automatic application of a very strict set of criteria, with the aim of obtaining results of the highest quality. Thellier- type techniques have a rigorous physical foundation and decades of experimental trajectory. In the present study, the original Thellier-Thellier method (Thellier and Thellier, 1959) and the IZZI method (Yu et al., 2004) were used. Results of paleointensity determinations are considered reliable when they meet a set of selection criteria that are applied as a filter, to assess the quality of the experimental conditions, the presence or absence of alteration and the amount of magnetization associated with MD grains. In the present study the set of criteria and strict threshold values proposed by Cromwell et al. (2015b) and named CCRIT (Tauxe et al., 2016) has been used. These criteria and threshold values have been tested on magnetized specimens in a known historical or laboratory field to confirm their reliability (Cromwell et al., 2015a; Tauxe et al., 2016). The analysis of paleointensity data may imply a certain degree of subjectivity. For this reason and in order to achieve objective interpretations, the selection criteria have been applied automatically using the Thellier GUI program (Shaar et al., 2013).
Paleointensities obtained by this approach in eight of the lava flows from the Apnia sequence show virtual axial dipolar moments (VADMs) between 28.6 and 45.6 ZAm2 in the lower reverse polarity section. In the upper normal-polarity section a VADM of 54.6 ZAm2 was obtained in a single lava flow. In the Lower-Korkhi subsequence only three results with relatively low VADMs of 27.4, 46.2 and 49.8 ZAm2 were obtained.
The second approach proposes a multi-method approach that seeks to provide an additional reliability criterion to paleointensity results, by observing a match of the results obtained with different methods, since the different paleointensity determination protocols used are based on the acquisition and destruction of magnetization at different energy equilibrium states, depending on the temperature, the applied field, the demagnetizing field, etc., in the different stages of the experiment. The consistency of results from methods based on different principles supports their reliability (e. g. Biggin et al., 2015, Biggin and Paterson, 2014, Calvo-Rathert et al., 2016, De Groot et al., 2013,
Monster et al., 2015). In the present study, the multi-method procedure was performed by comparing and averaging Thellier-type results, with the results obtained from multispecimen type determinations (MSP). For this reason, the data from the Thellier- Thellier and IZZI experiments mentioned above were reinterpreted using selection criteria commonly applied in paleointensity studies. For the comparison of results from different methods, Thellier type results were considered the main reference, since the latter have a rigorous physical foundation and a long experimental trajectory. On the other hand, this type of analysis was also useful to discuss and evaluate the performance of the MSP method when compared to Thellier-type methods.
Multispecimen methods are a kind of methods still under debate and evaluation. Two variants of the method have been applied, the original MSP-DB method (Biggin and Poidras, 2006; Dekkers and Böhnel, 2006) and the MSP-DSC (domain state correction) method (Fabian and Leonhardt, 2010), which includes a series of corrections that take into account the fraction of the magnetization used in the determination and the domain state of magnetic grains.
In the Apnia sequence, VADM values between 21.2 and 41.8 ZAm2 have been obtained for the lower reverse-polarity section with the multi-method approach, while the transitional polarity flow yields a value of 42.9 ZAm2 and in the upper normal-polarity section VADMs vary between 50.9 and 70.5 ZAm2. In the Lower-Korkhi subsection, the VADMs vary between 24.2 to 56.1 ZAm2, while in the Upper-Korkhi subsequence, a single very strong paleointensity value has been obtained, which yields a VADM of 128 ZAm2.
On the other hand, in the Dashbashi sequence, only the multispecimen method without corrections (MSP-DB) has been applied, yielding VADMs between 15.9 ZAm2 and
85.2 ZAm2. Approximately 20% weaker paleointensities would be obtained if the paleointensity overestimation of the MSP-DB method with respect to the MSP-DSC method, which has been observed in some studies, is taken into account.
Studies of polarity transition records performed over the last decades have allowed to detect an asymmetric intensity behavior during polarity transitions of the Earth’s magnetic field, consisting in a progressive decay prior to the directional transition and a fast recovery after completion of the polarity change ( see Valet et al., 2005 and the recent review of Valet and Fournier, 2016). On the other hand, studies of the time- averaged magnetic field, which describes the intensity of periods of stable polarity, yield two different types of results. Several authors (Juárez et al., 1998; Tauxe, 2006; Selkin and Tauxe, 2000), obtain rather low values between 42 and 48 ZAm2 while others consider that the time averaged field has an intensity similar to the present one (~ 80 ZAm2) (e.g. Tanaka et al., 1995b).
VADM values obtained in the Apnia sequence in the sections before and after the transitional polarity yield 36.6 and 54.6 ZAm2, respectively, with the Thellier type determinations with the CCRIT criterion, and 30.8 and 61.9 ZAm2, respectively, with the multi-method approach. It can be recognized that the VADM in the lower part of the sequence, before the polarity change, lies below the mean of the most recent estimates of the weak average field for the last 5 Ma, while that of the upper section lies above. Given the succession of polarities shown by the sequence, the record seems to fit the asymmetric intensity pattern described for polarity transitions, in which the low
intensities observed in the lower Apnia section correspond to the intensity decrease prior to the directional transition, and the higher ones to the intensity recovery after the transition.
In the Lower-Korkhi subsequence, mean VADMs of 41.1 and 37.4 ZAm2 are obtained with both paleointensity determination approaches (Thellier & CCRIT and multi-method, respectively), together with a succession of apparently stable normal polarities. Thus, the record seems to agree with the interpretation of a low-intensity time averaged field. However, an intensity drop in a record prior to a directional polarity reversal cannot be ruled out. The Upper-Korkhi subsequence is a short record of reverse- intermediate polarities that produces a single VADM value of 128 ZAm2 with the multi- method approach. This extreme value could fit into the description of a record at the final part of a polarity transition, where there is a high directional and intensity variability.