Grote afwijkingen in de magnetisatie van gesteente verklaard

Al jaren meten onderzoekers (onverklaarbare) afwijkingen in de magnetisatie van gestolde lava. Problematisch, omdat die leiden tot fouten bij gesteentedatering en plaatreconstructies. Nu kunnen we deze afwijkingen eindelijk grotendeels verklaren en fouten in toekomstig onderzoek voorkomen.

Je voelt het niet, maar het magneetveld van de aarde verandert constant (voor meer informatie: de magnetische noordpool verschuift). Momentopnames van dit veld worden opgeslagen in gesteente. Onderzoekers gebruiken deze momentopnames voor bijvoorbeeld datering van dit gesteente of de beweging ervan, plaatreconstructies.

Een veelgebruikt gesteente voor dit soort onderzoek is lava, omdat dit vaak een relatief sterke magnetisatie heeft. Hoe zit dat precies? Gestolde lava bevat veel kleine magnetische deeltjes, namelijk ijzer- en titaniumhoudende mineralen zoals magnetiet. Tijdens een vulkaanuitbarsting is de lava nog warm en vloeibaar; de mineralen kunnen dan nog ‘bewegen’. Zodra de lava afkoelt en het gesteente stolt, worden de mineralen een klein beetje magnetisch. De temperatuur waarop dit gebeurt verschilt per mineraal en heet de curietemperatuur. Dit is voor het meest voorkomende ijzerhoudende mineraal bijvoorbeeld ongeveer 580° Celsius. De opgeslagen magnetisatie komt overeen met het aardmagneetveld op dat moment. Dit is, als je net naast deze vulkaan staat, waar jouw kompas dan naartoe wijst.

Afwijkingen en het verboden meetgebied

Onderzoekers nemen regelmatig en op heel verschillende plekken afwijkingen waar in de magnetisatie van gesteente. De magnetisatie van het gesteente is dan bijvoorbeeld zwakker dan verwacht (tot wel 15% lager) en de hoek wijkt af (tot wel 10°) ten opzichte van de verwachte sterkte en richting van het aardmagneetveld ten tijde van afkoeling van de lava. Een afwijkende inclinatie (zie kader) kan ertoe leiden dat onderzoekers de tektonische plaat ‘op de verkeerde plek’ leggen in een plaatreconstructie. Een onderzoeker zou door een verschil van 10° inclinatie bijvoorbeeld Utrecht ongeveer ter hoogte van IJsland kunnen plaatsen.

Een manier om dit soort afwijkingen op te sporen is door de magnetisatie te meten van een jonge lavastroom die afgekoeld is bij recente vulkaanuitbarstingen. Deze lava is gestold in een bekend aardmagneetveld en dus weten we wat we ‘horen’ te meten. Er zijn flinke afwijkingen gevonden in jonge lava’s en dat is alarmerend, want dan komen ze vast ook voor in oudere lavastromen. Alleen kun je bij oud gesteente de magnetisatie niet vergelijken, want exacte cijfers over het aardmagneetveld uit die tijd ontbreken. We weten dus niet welke magnetisatie in de steen de afwijking is en welke niet. Kortom: onderzoekers zijn er niet zeker van of de data die ze gebruiken kloppen.

Tot nu toe lossen onderzoekers dit op door op heel veel verschillende plekken te meten en het gemiddelde te nemen, of bepaalde plekken simpelweg te vermijden. Dit is natuurlijk niet een ideale oplossing, aangezien deze opties niet altijd mogelijk zijn in het veld.

Magnetic Terrain Effect

Dankzij de ontdekking van het Magnetic Terrain Effect (MTE) kunnen onderzoekers eindelijk een groot deel van deze afwijkingen verklaren. MTE is de invloed van de magnetisatie van het onderliggende gesteente en de topografie op de nieuw afgezette lavastroom erbovenop. Voorheen dacht men dat de magnetisatie in gesteente niet sterk genoeg was om het magnetisch veld voelbaar/meetbaar te veranderen. Niets blijkt minder waar,  het nieuwe model bewijst dat er wel degelijk meetbare afwijkingen ontstaan door de magnetische ondergrond. 

Dit nieuwe model simuleert oppervlaktes en berekent de totale magnetisatie net boven de oppervlakte. De theorie bestaat al sinds de jaren 1990, maar toen konden deze berekeningen alleen in een 2D-model benaderd worden. Volgende modellen functioneerden alleen op heel grote schaal en/of vanaf grotere hoogte (>100 meter). Deze modellen zijn instabiel dicht bij het oppervlak en kunnen daarom onderzoekers in het veld niet helpen. De afwijkingen gemeten in het nieuwe model komen grotendeels overeen met de gemeten afwijkingen in het veld, ze vallen alleen ietsje lager uit.   

Een voorbeeld van zo’n topografie: een simpele geul, veel voorkomend terrein op vulkanen (foto 1). Als lava stolt in het dal van een eerdere geul, zal het meer effect ondervinden van het omliggende ‘oude’ gesteente dan het deel van de lavastroom dat boven in de geul stolt (figuur 2). Aangezien je bij het meten de onderliggende topografie niet kent, is het gevaarlijk om op plekken te meten waar dit soort topografieën voorkomen. In het nieuwe model kun je ook Digital Elevation Models (digitale hoogteprofielen) inladen. Toekomstige onderzoekers kunnen van tevoren de hoogtekaarten analyseren en bepalen waar de grootste afwijkingen door MTE zich bevinden. 

Hierdoor kunnen ze de juiste plekken kiezen voor het nemen van monsters, en fouten in toekomstige metingen voorkomen. Hoewel velen van ons inmiddels een tripje naar IJsland niet erg zouden vinden, blijft Utrecht dan gewoon in het midden van Nederland liggen.    

Dit onderzoek is gedaan door wetenschappers van het Paleomagnetisme lab van de Universiteit Utrecht. Het model en de resultaten van dit onderzoek worden gepubliceerd.

BRONNEN

• Baag, C. e.a. (1995). Deflection of paleomagnetic directions due to magnetization of the underlying terrain. Journal of Geophysical Research, Vol. 100, Issue B6, pp. 10012-10027.
• Martin, C.R. (2020). Magnetism of Himalayan rocks reveals the mountains' complex tectonic history. The Conversation.