Variaciones del Campo Geomagnético en Asia Central Durante los Últimos 4000 años

El planeta Tierra, de unos 6.378 kil—metros de radio, es un sistema complejo que se puede dividir en diferentes capas concŽntricas que tienen una din‡mica muy variada. El abordaje de su estudio es complejo, ya que, a pesar de haber sido capaces de viajar 17.400 millones de kil—metros para conocer el espacio, œnicamente se han podido perforar unos 12 kil—metros hac’a el interior de la Tierra. Por lo tanto, la forma de estudiar nuestro planeta se basa en el an‡lisis de fen—menos observables en la superficie terrestre, tales como los terremotos o el campo geomagnŽtico. El campo magnŽtico terrestre es de vital importancia para la vida, ya que permite la existencia de la atm—sfera y nos protege de las radiaciones y las part’culas nocivas procedentes del espacio. A pesar de ser esencial para la supervivencia humana, aœn desconocemos algunas caracter’sticas que rigen su comportamiento y evoluci—n. Actualmente, se sabe que el origen del campo magnŽtico de la Tierra radica en los movimientos de convecci—n del material presente en el nœcleo externo, y que, a pesar de ser una caracter’stica global, tiene un importante car‡cter regional. Por tanto, para conocer en mayor detalle la evoluci—n espacial y temporal del campo magnŽtico terrestre, resulta crucial disponer de informaci—n que estŽ uniformemente distribuida en ambos dominios, el espacial y el temporal. En los œltimos 400 a–os, las caracter’sticas del campo geomagnŽtico se han estudiado en base a observaciones directas proporcionadas por los datos hist—ricos de navegantes, los observatorios geomagnŽticos y, m‡s recientemente, los satŽlites. Para estudiar el comportamiento del campo geomagnŽtico en periodos anteriores a la era instrumental, se hace necesario recurrir a medidas indirectas, como las proporcionadas por estudios paleomagnŽticos y arqueomagnŽticos. Concretamente, los trabajos basados en el arqueomagnetismo se centran en el estudio de la termorremanencia adquirida por los minerales ferromagnŽticos presentes en materiales arqueol—gicos y que fueron calentados a altas temperaturas. Estos minerales, al calentarse y posteriormente enfriarse desde altas temperaturas, son capaces de registrar el campo geomagnŽtico local presente en el momento de su enfriamiento. Gracias a este proceso, la informaci—n del campo geomagnŽtico queda registrada en los materiales arqueol—gicos calentados a lo largo de periodos de tiempo largos. La informaci—n arqueomagnŽtica disponible en las bases de datos m‡s recientes, proviene principalmente del hemisferio norte, y concretamente de Europa. En esta Tesis se pretende arrojar luz sobre las variaciones del campo magnŽtico de la Tierra en Asia Central durante los œltimos 4000 a–os. Cabe destacar que, en la actualidad, no existen datos arqueomagnŽticos de declinaci—n para esta regi—n y los datos de inclinaci—n y paleointensidad existentes no cumplen con los criterios de calidad establecidos actualmente. Para llevar a cabo una reconstrucci—n del comportamiento del campo geomagnŽtico en Asia Central, en esta Tesis se han llevado a cabo estudios arqueomagnŽticos de material arqueol—gico muestreado en varios yacimientos del sur de Uzbekist‡n, datados entre el 2000 a.C. y el 1429 d.C. En total se ha estudiado la paleointensidad de 551 espec’menes cer‡micos mediante el mŽtodo de Thellier-Thellier, obteniendo 96 nuevos datos de paleointensidad. Adem‡s, esta Tesis aporta los primeros datos arqueomagnŽticos completos (declinaci—n, inclinaci—n e intensidad), gracias al estudio de 9 hornos arqueol—gicos muestreados in situ en Uzbekist‡n. Sobre el material analizado tambiŽn se han realizado experimentos de magnetismo de rocas que han permitido determinar los principales minerales ferromagnŽticos responsables de la magnetizaci—n. En la mayor’a de las muestras analizadas los principales portadores magnŽticos son la magnetita, la titanomagnetita y la maghemita. En algunos casos, se han encontrado minerales de altas coercitividades como la la hematites. A partir de la informaci—n aportada en esta Tesis, y tras un an‡lisis exhaustivo de la base de datos disponible para Asia Central, se ha creado la primera curva de variaci—n paleosecular de intensidad para los œltimos 4000 a–os. A partir de la curva de intensidad obtenida se ha observado un aumento de la intensidad entre el a–o 1200 a.C. y el 900 a.C. Estas altas intensidades, de hasta 70 ?T, se mantienen hasta el 400 a.C, cuando se observa una ca’da brusca de la intensidad seguida de una r‡pida recuperaci—n, dando lugar a un patr—n en forma de «V». Este fen—meno no se hab’a identificado previamente en las reconstrucciones paleomagnŽticas globales m‡s recientes. Ese evento particular ha sido adem‡s estudiado en otras regiones del globo, lo que ha permitido caracterizar espacialmente la extensi—n de dicho patr—n del m’nimo de intensidad. Adem‡s, se ha observado que la intensidad del campo geomagnŽtico experimenta variaciones m‡s suaves despuŽs de dicho evento, caracteriz‡ndose por una disminuci—n continua de la intensidad en los œltimos siglos. Por otro lado, se ha actualizado la familia de modelos SHAWQ utilizando los datos arqueomagnŽticos presentados en esta Tesis para el periodo entre el 400 a.C. y el 400 d.C. Esta actualizaci—n ha permitido estudiar en detalle el comportamiento del campo geomagnŽtico a escala global durante el evento de m’nimo de intensidad en forma de «V». Este an‡lisis ha revelado una contribuci—n importante del campo no dipolar en la superficie de la Tierra, relacionada con un parche de flujo inverso del campo radial en el l’mite manto-nœcleo externo debajo de la zona de Uzbekist‡n. Este parche alcanza su m‡ximo alrededor del cambio de Era, dando lugar al m’nimo de intensidad registrado en la superficie por los nuevos datos de alta calidad obtenidos en esta Tesis. Adem‡s, en esta Tesis se ha aplicado un nuevo mŽtodo de dataci—n a posteriori. Para ello, se evalœa a posteriori las caracter’sticas de los datos arqueomagnŽticos utilizados en la construcci—n de la curva de variaci—n paleosecular de intensidad. El mŽtodo permite redefinir las distribuciones de probabilidad asociadas tanto a la edad como a la medida de intensidad del dato arqueomagnŽtico, proporcionando los valores m‡s probables de acuerdo con la propia curva de variaci—n paleosecular que se est‡ construyendo con ese dato. El prop—sito de esta nueva metodolog’a de dataci—n a posteriori es discernir entre distintas edades de materiales arqueol—gicos encontrados en un mismo yacimiento asociados a un mismo intervalo de edad. 

En este Cap’tulo se recogen las principales conclusiones basadas en los objetivos que se planteaban al inicio de esta memoria de Tesis Doctoral. TambiŽn se incluyen perspectivas futuras derivadas de este trabajo. A) Datos arqueomagnŽticos previos disponibles de Asia Central. * Datos direccionales. En la base de datos de GEOMAGIA50.v3 hay incluidas 186 entradas de inclinaci—n y no hay ningœn dato previo de declinaci—n. A pesar de que el nœmero de datos de inclinaci—n es elevado, su distribuci—n temporal no es uniforme, ya que todos ellos se sitœan en el periodo del 900 d.C. al 1900 d.C. Estos datos presentan valores de? ??_95 sustancialmente superiores a 4¼, que es el l’mite m‡ximo considerado como aceptable en estudios arqueomagnŽticos. Cabe destacar, adem‡s, que estos registros no tienen asociados valores de declinaci—n, por lo que deducimos que se trata de datos obtenidos en materiales que no se encontraban en su posici—n original respecto a su œltimo calentamiento. Por lo tanto, para determinar estas inclinaciones se realizaron hip—tesis sobre la orientaci—n del material durante su œltimo calentamiento. * Datos de arqueointensidad. Antes de esta Tesis, se pod’an encontrar 258 registros de arqueointensidad que abarcan desde el a–o 2200 a.C. hasta el 1900 d.C. Los datos est‡n relativamente bien distribuidos temporalmente. El problema de estos datos es que no cumplen con los est‡ndares de calidad actuales (est‡ndares que se han detallado a lo largo de esta memoria). En particular, la mayor’a de estos registros previos no incluyen la correcci—n de la anisotrop’a de la TRM (ATRM). Es importante destacar que esta correcci—n, especialmente en el caso de materiales cer‡micos, puede influir significativamente en los valores de intensidad obtenidos mediante estudios arqueomagnŽticos, a veces alter‡ndolos en m‡s de un 50%. Por lo tanto, es fundamental interpretar con precauci—n los datos previos. B) Aportaciones de esta Tesis Doctoral al conocimiento del campo geomagnŽtico en Asia Central en los œltimos cuatro milenios. * Primeros datos del vector del campo geomagnŽtico de Asia Central. Se han presentado 9 vectores arqueomagnŽticos completos (declinaci—n, inclinaci—n e intensidad) obtenidos a partir del estudio de 9 hornos muestreados en el sur de Uzbekist‡n, con edades comprendidas entre el 200 a.C. y el 1429 d.C. Para determinar estos elementos magnŽticos, se han utilizado los resultados de la desmagnetizaci—n tŽrmica de la NRM de 168 fragmentos cer‡micos obtenidos a partir de experimentos Thellier-Thellier y de desmagnetizaci—n por campos alternos en 20 fragmentos. Son los primeros datos del vector completo del campo geomagnŽtico en esta regi—n. * Nuevos datos de paleointensidad para Asia Central. Se han presentado un total de 96 paleointensidades obtenidas tras analizar 551 espec’menes de fragmentos cer‡micos y de hornos arqueol—gicos. Los materiales fueron muestreados en varios yacimientos arqueol—gicos del sur de Uzbekist‡n, con dataciones que abarcan desde el 2000 a.C. hasta el 1429 d.C. Para obtener las paleointensidades, se emple— el mŽtodo de Thellier-Thellier, incorporando tanto las correcciones de la ATRM como el cooling rate. Adem‡s, se llevaron a cabo comprobaciones de posibles alteraciones magnetoqu’micas durante el calentamiento de las muestras mediante la realizaci—n de pTRM checks cada dos pasos de temperatura. Se trata de los primeros datos de calidad disponibles para Asia Central para periodos anteriores al 1500 d.C. Los nuevos datos junto con la bibliograf’a previa han permitido conocer mejor el comportamiento de la intensidad del CMT en los œltimos 4000 a–os. Se ha observado un aumento en la intensidad desde el 2000 a.C. hasta el 1400 a.C. Los nuevos datos tambiŽn indican una disminuci—n abrupta alrededor del cambio de Era. Este elemento geomagnŽtico sigue un patr—n en forma de V, ya que se recupera r‡pidamente despuŽs de llegar al m’nimo. * Primera PSVC de intensidad para Asia Central. Utilizando los nuevos datos de alta calidad obtenidos en esta Tesis, junto con los datos disponibles en GEOMAGIA5O.v3, se ha calculado la primera Curva Paleosecular de Variaci—n de la Intensidad (PSVC) para Asia Central, curva que abarca los œltimos 4000 a–os. La Curva de Variaci—n Paleosecular de la Intensidad (PSVC) obtenida muestra un aumento en la intensidad desde aproximadamente el 1200 a.C. hasta el 900 a.C., con tasas de variaci—n de +6 ?T por siglo. Los valores m‡ximos de intensidad se mantienen alrededor de 70 ?T desde el 900 a.C. hasta el 400 a.C. Se han observado cambios r‡pidos en la intensidad, con tasas de variaci—n de hasta 8 ?T por siglo entre el 400 a.C. y el 400 d.C. Durante este per’odo, la intensidad sigue un patr—n en forma de «V», con valores m’nimos a principios de Era. Se ha identificado, adem‡s, un m’nimo relativo alrededor del 680 d.C., coincidiendo con la doble oscilaci—n de la intensidad observada en Europa en otros estudios. Desde el 850 d.C. hasta el 1900 d.C., la intensidad disminuye de manera progresiva, aceler‡ndose en los œltimos siglos. Al comparar la Curva de variaci—n Paleosecular de la Intensidad (PSVC) obtenida en esta Tesis con los modelos geomagnŽticos globales, se observan notables discrepancias, especialmente entre el 1000 a.C. y el 400 d.C. Estos modelos no logran reproducir las altas intensidades mostradas por la PSVC entre el 900 a.C. y el 400 a.C. Y tampoco son capaces de replicar el comportamiento en forma de «V» observado entre el 400 a.C. y el 400 d.C., el cual est‡ claramente definido por datos de alta calidad. Este œltimo evento se ha investigado minuciosamente para identificar su naturaleza no dipolar. * El patr—n en forma de ÔÕVÕÕ en otras regiones del globo. Este fen—meno de la intensidad del paleocampo en torno al cambio de Era se ha estudiado en otras regiones del globo, observ‡ndose en una extensa regi—n de aproximadamente 7000 kil—metros en la superficie Terrestre. * Estudio del comportamiento no dipolar en Asia Central. En esta Tesis se ha estudiado el comportamiento del Campo MagnŽtico Terrestre desde el 400 a.C. al 400 d.C. en Asia Central, utilizando los datos de intensidad de alta calidad y los pocos datos direccionales disponibles para ese periodo. Para ello se ha realizado una actualizaci—n de la familia de modelos SHAWQ, llamada SHAWQ-U, para dicha ventana temporal. Este nuevo modelo incluye los datos arqueomagnŽticos obtenidos durante el desarrollo de este trabajo con el pesado correspondiente a la metodolog’a de la familia SHAWQ. El an‡lisis del Polo GeomagnŽtico Virtual (VGP) obtenido a partir de los datos direccionales, junto con las predicciones de la trayectoria polar derivada del SHAWQ-U, muestra la mayor desviaci—n angular alrededor del 150 a.C. En esta misma edad, tambiŽn se observan las mayores discrepancias entre el Momento Dipolar Virtual Axial (VADM) medio y el Momento Dipolar (DM) proporcionado por el modelo SHAWQ-U. Ambos hechos sugieren una contribuci—n significativa del campo no dipolar. Con el nuevo modelo SHAWQ-U se ha determinado la componente radial del campo (Br) en el L’mite Manto-Nœcleo (CMB) que muestra un parche de flujo invertido en las coordenadas de Uzbekist‡n al inicio del cambio de era. Este parche es el responsable del patr—n en ÒVÓ de la intensidad observado en superficie. El car‡cter no dipolar del evento tambiŽn se ve reflejado en la superficie de la Tierra, a travŽs del estudio de la intensidad no dipolar (estimada como la diferencia entre la intensidad total y dipolar), mostrando un m‡ximo alrededor del cambio de Era. * Aplicaci—n de dataci—n a posteriori. Se ha desarrollado la metodolog’a para realizar una dataci—n a posteriori, que tiene en cuenta tanto el error temporal como el error del elemento magnŽtico estudiado. Este mŽtodo analiza la Funci—n de Densidad de Probabilidad (PDF) de la Curva de Variaci—n Paleosecular (PSVC) y del error de la intensidad, generando un mapa de probabilidades mediante la convoluci—n de ambas distribuciones. Esta nueva metodolog’a proporciona informaci—n acerca de las edades e intensidades m‡s probables de manera conjunta e independiente. El prop—sito de esta herramienta es distinguir entre diferentes edades en un conjunto de material, ya que puede utilizarse para diferenciar entre distintas cronolog’as en muestras asignadas a un mismo intervalo temporal. Perspectivas Futuras * Datos arqueomagnŽticos: Es fundamental continuar adquiriendo nuevos datos direccionales para Asia Central, asegur‡ndose adem‡s de que estŽn bien distribuidos temporalmente. TambiŽn, es importante obtener m‡s datos robustos de arqueointensidad, especialmente durante el periodo que abarca desde el a–o 1000 a.C. hasta el 400 a.C. Estos nuevos datos permitir‡n estudiar en detalle el comportamiento de este elemento magnŽtico, que ha demostrado experimentar fluctuaciones significativas en este intervalo temporal en otras regiones del globo. * Modelo regional para Asia: En la actualidad, solo contamos con modelos regionales para Europa y çfrica. Por lo tanto, ser’a interesante desarrollar un primer modelo regional para Asia utilizando la tŽcnica regional R-SCHA. Este modelo ser’a de gran utilidad para realizar dataciones de nuevo material arqueol—gico muestreado en esta regi—n. Adem‡s, el modelo aportar’a m‡s informaci—n sobre el comportamiento del campo en forma de ÔÕVÕÕ. * MŽtodo de dataci—n a posteriori: como se ha mencionado en esta Tesis, el mŽtodo de dataci—n propuesto no tiene como objetivo ofrecer edades m‡s precisas que las proporcionadas a priori. No obstante, ser’a interesante aplicar el mŽtodo a un mayor nœmero de muestras para investigar el potencial real de esta tŽcnica. Conclusions This chapter summarizes the main conclusions of this work derived from the objectives outlined at the beginning of this Thesis. It also includes future perspectives derived from this research. A) Previous Archaeomagnetic Data Available in Central Asia * Directional data. Within the GEOMAGIA50.v3 database, there were 186 inclination data, but no declination entries were available before this work. Despite the substantial volume of data, their temporal distribution is not uniform, as the data are confined to the period ranging from 900 AD to 1900 AD. Moreover, the ? ??_95 values of these data significantly surpass the 4¡ threshold, which is the maximum value deemed acceptable for archaeomagnetic studies. It should be mentioned that these inclination data lack an associated declination value since they were obtained from materials not heated in situ, that is, they were not found in the same position as they were heated. Consequently, determining the inclination values of these data relies on certain assumptions regarding the material’s orientation during their most recent heating event. * Archaeointensity data. Before this Thesis, 258 archaeointensity records spanning from 2200 B.C. to 1900 A.D. were available. These data are well distributed over time. However, they do not meet current quality standards, which have been outlined throughout this Thesis. In general, previous records were obtained without considering the ATRM. It is important to highlight that this correction, particularly in the case of ceramics and potteries, can have a significant impact on paleointensity determination, sometimes resulting in deviations exceeding 50%. Therefore, it is important to consider with caution these older data. B) Contributions of this Thesis to the understanding of the geomagnetic field in Central Asia over the last four millennia. * First full geomagnetic field vector in Central Asia. Nine full-vector archaeomagnetic data (declination, inclination and intensity) have been presented, for the first time for this region. The data have been obtained from the study of nine archaeological kilns sampled in southern Uzbekistan, ranging in age from 200 BC to 1429 AD. To determine the magnetic elements, the results of thermal demagnetization of the NRM (Natural Remanent Magnetization) from 168 ceramic fragments were obtained through Thellier-Thellier experiments and alternate field demagnetization experiments on 20 fragments. This study constitutes the first data of the complete geomagnetic field vector in this region. * New Paleointensity Data for Central Asia. A total of 96 paleointensity values have been presented, derived from the analysis of 551 specimens of ceramic fragments and archaeological kilns. These materials were sampled from various archaeological sites in southern Uzbekistan, with dates ranging from 2000 BC to 1429 AD. The Thellier-Thellier method was carried out to determine paleointensities, incorporating corrections for anisotropy of thermoremanence (ATRM) and cooling rate. Additionally, checks for potential magnetochemical alterations during sample heating were performed using pTRM checks at every two temperature steps. These new data obtained are the first high-quality data available for Central Asia for periods preceding 1500 AD. They provide a further step on the reconstruction of the Central Asian geomagnetic field intensity behaviour over the last 4000 years. An increase in intensity has been observed from 2000 BC to 1400 BC, followed by a sharp decrease around the change of era. This geomagnetic element follows a V-shaped pattern, rapidly recovering after reaching the minimum. * First Paleosecular Variation Curve (PSVC) for Intensity in Central Asia. By using the newly acquired high-quality data obtained during this Thesis, together with other data included in GEOMAGIA50.v3, the first Paleosecular Variation Curve (PSVC) for intensity for Central Asia has been calculated, spanning the last 4000 years. The obtained PSVC reveals an increase in intensity from around 1200 BC to 900 BC, with variation rates of +6 ?T per century. Maximum intensity values remain around 70 ?T from 900 BC to 400 BC. Rapid changes in intensity have been observed, with variation rates of up to 8 ?T per century between 400 BC and 400 AD. During this period, the intensity follows a «V»-shaped pattern. A relative minimum around 680 AD has been identified, coinciding with the double oscillation of intensity observed in Europe in other studies. From 850 AD to 1900 AD, intensity gradually decreases, accelerating in the last centuries. When comparing the obtained PSVC with global geomagnetic models, notable discrepancies are observed, especially between 1000 BC and 400 AD. These models fail to reproduce the high intensities shown by the PSVC between 900 BC and 400 BC. They also cannot reproduce the «V»-shaped behaviour observed between 400 BC and 400 AD, which is clearly defined by high-quality data. This latter event has been thoroughly investigated to identify its non-dipolar nature. * The «V»-shaped pattern in other regions of the globe. This phenomenon of paleomagnetic field intensity around the turn of the era has been studied for other parts of the world, being observed across an extensive region spanning approximately 7000 km on the Earth’s surface. * Study of Non-Dipolar Behaviour in Central Asia. This Thesis investigates the behaviour of the Earth’s Magnetic Field from 400 BC to 400 AD in Central Asia, utilizing high-quality intensity data and the limited directional data available for that period. An update to the SHAWQ model family, named SHAWQ-U, was conducted for this temporal window. This new model incorporates the archaeomagnetic data obtained during this study with the corresponding weighting scheme, following the SHAWQ family methodology. Analysis of the Virtual Geomagnetic Pole (VGP) derived from directional data, along with the trajectory predictions from SHAWQ-U, reveals the largest angular deviation around 150 BC. During the same period, significant discrepancies are observed between the Virtual Axial Dipole Moment (VADM) and the Dipole Moment (DM) provided by the SHAWQ-U model, suggesting a substantial contribution from the non-dipolar field. Using the new SHAWQ-U model, the radial component of the field (Br) at the Core-Mantle Boundary (CMB) has been determined, showing a patch of reversed flux in the coordinates of Uzbekistan at the onset of the era change. This patch is responsible for the observed «V»-shaped intensity pattern on the surface. The non-dipolar nature of the event is also reflected in surface by means of the non-dipolar intensity (estimated by the difference between the full-intensity and the dipolar intensity). Outlook ¥ Archaeomagnetic Data: It is crucial to carry on obtaining well timely-distributed directional data for Central Asia. Moreover, obtaining more robust archaeointensity data, especially from the period between 1000 B.C. and 400 B.C., is essential. These additional data will enable a thorough investigation of the geomagnetic field behaviour in this region particularly during a time when significant fluctuations have been observed in other parts of the world. ¥ Regional Model for Asia: Currently, regional models are only established for Europe and Africa, emphasizing the importance of developing the first regional model for Asia using the R-SCHA regional technique. Such an initiative would be invaluable for dating newly collected baked archaeological materials from this region. ¥ A Posteriori Dating method: As mentioned in this Thesis, the proposed dating method does not aim to provide more precise ages than those established a priori by other dating constraints. However, we believe it can be used to differentiate between different chronologies in samples assigned to the same time interval. It would be interesting to apply this method to a larger number of samples to investigate the full potential of this technique. .