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Rekonstruktion der Erdmagnetfeldstärke der vergangenen 300.000 Jahre über den kosmogenen Tracer 10Be aus Atlantischen Tiefseesedimenten (ODP-Sites 983 und 1063)

Bernsdorff, Frank

English Title: Reconstruction of the geomagnetic field strength for the last 300.000 years by the cosmogenic tracer 10Be derived from Atlantic deep sea sediments (ODP-Sites 983 and 1063)

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Abstract

Das kosmogene Radionuklid 10Be entsteht über die Wechselwirkung der extraterrestrischen Höhenstrahlung mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen in der Stratosphäre der Erde. Aufgrund der abschirmenden Wirkung des Erdmagnetfeldes gegenüber der einfallenden kosmischen Strahlung ergibt sich zwischen der atmosphärischen Produktionsrate von 10Be und der Erdmagnetfeldstärke ein antiproportionaler Zusammenhang. Das so gebildete 10Be gelangt nach einer Verweildauer von ca. 1 Jahr über Nass- und Trockendepositionen hauptsächlich in den Ozean, aus welchem es, an Sedimentpartikeln adsorbiert, auf dem Meeresgrund abgelagert wird. Diese Theorie bildet die Grundlage für die Rekonstruktion der zeitlichen Variationen der Erdmagnetfeldstärke über die Extraktion von 10Be aus Tiefseesedimentkernen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden hochaufgelöste Profile der 10Be- Produktionsflussdichten aus hochakkumulierenden Tiefseesedimenten des Island Beckens (ODP-Site 983) sowie des Bermuda Rise (ODP-Site 1063) erstellt, um die globalen Änderungen der Erdmagnetfeldstärke für einen Zeitraum von 300.000 Jahre zu rekonstruieren. Für die Korrektur von ozeanischen Transportsignalen wurde die 230Thxs-Normierungsmethode angewandt. Die insgesamt ca. 400 Proben dieser Kerne wurden in drei hauptanalytischen Phasen auf ihre Uran/Thorium-Isotope, 10Be-Isotope und ausgewählter Haupt- und Nebenelemente analysiert. Dabei dienten die 10Be- und Uran/Thorium Messungen im wesentlichen der Erstellung der für die Sites entsprechenden 10Be-Stratigraphie (230Thxs-normierte 10Be-Produktionsflüsse). Mit den Messungen der Elemente Ca, Al, Ti, Be, Fe und Mn wurde einerseits das Ziel verfolgt, die Sedimentationsgeschichte der untersuchten Sites abzuschätzen und andererseits einen Einblick in den Durchlüftungszustand (bzw. der Ozeanzirkulation) der Wassersäule zu glazialen/interglazialen Zeiten zu erhalten, um Aussagen über die etwaige klimatische Beeinflussung des 10Be-Produktionssignals treffen zu können. Die Elementmessungen ergaben, dass für beide untersuchten Sites hauptsächlich jeweils ein sedimentäres Liefergebiet vorliegt, dessen Sedimentationspulse in der Regel mit den durch das Klima gesteuerten Variationen der Meeresströmungen einhergehen. Die Anwendung der 230Thxs-Metode auf die entsprechenden 10Be- Datensätze der Sites 983 und 1063 ergaben eine aussagekräftige Rekonstruktion der Stärke der Erdmagentfeldvariationen. Hierfür spricht, dass die 10Be-Produktionsflüsse der Sites 983 und 1063 in fast allen Bereichen dieser Stratigraphien mit dem „erlaubten Bereich“ verträglich sind. Ferner konnte für die Sites 983 und 1063 die rezente Produktionsrate von 1,4*109 At./(g*cm2*ka) im Rahmen der Fehlergrenzen (± 22%) annähernd gut reproduziert werden. Den überzeugendsten Beweis lieferte allerdings die Gegenüberstellung der Sites 983 und 1063 mit einer Vielzahl von Datensätzen aus der Literatur. Dementsprechend konnten weitestgehend alle prominenten geomagnetischen Events zeitlich in Einklang gebracht werden. Aus den oben angeführten Gründen lässt sich also zusammenfassend schlussfolgern, dass die im Rahmen dieser Dissertation aufgestellten 230Thxs-normierten 10Be-Produktionsflüsse der ODP-Sites 983 und 1063 die globalen Schwankungen des Erdmagnetfeldes für den Zeitraum von 300 bis 0 ka wiedergeben. Zudem beinhalten diese Datensätze das Potenzial zur Synchronisation anderer Archive über die angesprochenen geomagnetischen Events.

Translation of abstract (English)

The cosmogenic radionuclide 10Be is produced by the interaction of galactic cosmic rays with oxygen and nitrogen atoms in the Earth’s stratosphere. The production of 10Be is known to be strongly anticorrelated with the solar and geomagnetic field strength. After an atmospheric residence time of approximately one year, 10Be is removed from the atmosphere by wet and dry deposition onto the Earth’s surface. In the oceans, 10Be is adsorbed to sediment particles, bound to which it is deposited on the ocean floor. Based on this theory, temporal variations of the Earth’s magnetic field strength can be reconstructed by the extraction of 10Be from deep sea archives (sediment cores). High resolution profiles of 10Be production rates from highly accumulating deep sea sediments of the Iceland Basin (ODP-Site 983) and of the Bermuda Rise (ODP-Site 1063) were generated within the scope of this investigation. From these records, global changes of the Earth’s magnetic field strength within a period of the past 300,000 years were reconstructed. The 230Thxs-normalization technique was applied to correct for marine transport signals. Altogether 400 samples from the two deep sea sediment cores were analyzed for their uranium/thorium isotopes, 10Be isotopes and selected main group and B group elements within three analytical steps. The 10Be- as well as the uranium/thorium analyses provided the basis for the compilation of the site specific 10Be stratigraphy (230Thxs-normalized 10Be production rates). The analyses of the elements Ca, Al, Ti, Be, Fe, and Mn were conducted on the one hand to evaluate the sedimentary history of the investigated sites and on the other hand to gain insight into the state of the oceanic circulation of the water column at glacial/interglacial stages. From these records, information about potential climatic influences on the 10Be production signal could be obtained. The element analyses showed that there existed a single source region for the sediments of each investigated site. Each source region showed sedimentation pulses which generally correlated with climatically driven variations of oceanic currents. However, the application of the 230Thxs-normalization to the 10Be data of sites 983 and 1063 lead to a valid reconstruction of the Earth’s magnetic field variations. This was supported by the fact that 10Be fluxes of sites 983 and 1063 were compatible with the so called „allowed range“ within nearly all sections of the stratigraphies. Additionally, the recent production rate of 1,4*109 At./(g*cm2*ka) could be reproduced within the analytical error of ± 22% for both sites. However, the most convincing evidence was obtained from the comparison of the sites 983 and 1063 with a variety of datasets from literature. Accordingly, all prominent geomagnetic events could be chronologically correlated. As a result of the above-mentioned arguments, it can be concluded and summarized that the 230Thxs-normalized 10Be production rates of ODP-Sites 983 and 1063 that were compiled during this investigation, reflect the global variations of the Earth’s magnetic field strength for a time period of the past 300,000 years. Additionally, these datasets include the potential for synchronization of other archives via the discussed geomagnetic events.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mangini, Prof. Dr. Augusto
Date of thesis defense: 25. April 2008
Date Deposited: 17. Oct 2008 12:53
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Geologie, Sedimentologie, Geochemie
Uncontrolled Keywords: Erdmagnetfeldrekonstruktion , Driftsedimente , 10Be, Th-Excess-Verfahren , OzeanzirkulationGeology , Sedimentology , Geochemistry
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