Eine verbesserte statistische Analyse der geomagnetischen Polaritätszeitskala identifiziert vier auffällige Einbrüche in der Umkehrfrequenz nach der Kreide. Diese könnten auf bislang unerkannte Polumkehrungen hinweisen. Neue Daten aus äthiopischen Basalten stützen diese Möglichkeit. Die Ergebnisse liefern Impulse für die Hochauflösungs-Paläomagnetik und für das Verständnis des Geodynamos im Erdinneren.
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Neue Analyse stellt Magnetfeld-Zeitskala infrage
Wenn Sie dicht gedrängte Menschen auf einem Platz sehen, erkennen Sie sofort: Hier ist viel los. Sind nur wenige verteilt, wirkt der Raum leer. Bei Ereignissen in der Erdgeschichte ist das nicht so einfach. Vor allem dann nicht, wenn sie sich über Millionen Jahre verteilen.
Genau darum geht es bei geomagnetischen Polumkehrungen. Das Erdmagnetfeld hat seine Polarität im Laufe der Erdgeschichte vielfach gewechselt. Nord- und Südpol tauschten ihre Plätze. Diese Umkehrungen lassen sich in Gesteinen nachweisen. Lava, Sedimente und magnetische Anomalien am Meeresboden speichern gewissermaßen einen Kompassabdruck ihrer Entstehungszeit.
Aus diesen Daten entstand die Geomagnetische Polaritätszeitskala (GPTS). Sie ist ein zentrales Werkzeug der Geophysik. Mit ihr datieren Forschende Gesteine, rekonstruieren Plattenbewegungen und ordnen Fossilien zeitlich ein. Doch nun rüttelt eine neue statistische Analyse an dieser scheinbar stabilen Zeitskala.
Wenn Statistik Lücken sichtbar macht
Ein internationales Team unter Beteiligung der Kyushu University, von JAMSTEC und der Wayne State University hat den aktuellen Datensatz GPTS2020 neu ausgewertet.
Im Zentrum steht eine Methode aus der Statistik: die Kernel-Dichte-Schätzung. Vereinfacht gesagt verteilt sie um jeden bekannten Umkehrzeitpunkt eine Wahrscheinlichkeitskurve. Überlagert man diese, entsteht eine geglättete Kurve der Umkehrhäufigkeit über die Zeit. So lassen sich Phasen mit vielen oder wenigen Polwechseln objektiver erkennen.
Neu ist, wie die Forschenden die sogenannte Bandbreite – also die zeitliche Glättung – bestimmen. Statt sie nach Erfahrungswerten festzulegen, nutzten sie eine Kreuzvalidierung. Das ist ein Verfahren, bei dem die Daten selbst die optimale Auflösung der Analyse bestimmen. Dadurch steigt die zeitliche Präzision.
Vier auffällige Einbrüche nach der Kreidezeit
Frühere Arbeiten, etwa von Constable (2000), hatten gezeigt: Seit etwa 155 Mio. Jahren nahm die Umkehrhäufigkeit zunächst ab. Während der Kreidezeit kam es sogar zu einer langen Phase ohne Umkehrungen – dem sogenannten Kreide-Normal-Superchron. Danach stieg die Häufigkeit wieder an.
Die neue Analyse bestätigt diese groben Trends. Sie zeigt jedoch zusätzlich vier deutliche Einbrüche in der Umkehrfrequenz nach dem Superchron.
Solche Einbrüche können zwei Dinge bedeuten. Entweder das Erdmagnetfeld war in diesen Zeiträumen tatsächlich ungewöhnlich stabil. Oder: Kurzzeitige Umkehrungen wurden schlicht nicht erfasst, weil die zeitliche Auflösung der geologischen Archive nicht ausreichte. Genau hier wird es spannend.
Hinweise aus Äthiopien
Vor einigen Jahren meldeten Forschende neue, kurzzeitige Umkehrungen in äthiopischen Flutbasalten. Die sogenannten Lima–Limo-Umkehrungen datieren auf rund 31 Mio. Jahre. Hochpräzise paläomagnetische und geochronologische Analysen stützen diese Interpretation (Ahn et al., 2021; Yoshimura et al., 2023).
Als das Team diese zusätzlichen Ereignisse in die neue Dichteanalyse einfügte, wurde ein zuvor scharfer Frequenzeinbruch um etwa 32 Mio. Jahre deutlich glatter.
Das spricht dafür, dass zumindest manche „Lücken“ in der GPTS auf fehlende Daten zurückgehen könnten. Die Forschenden interpretieren die langfristig glatteren Schwankungen als realistischeres Abbild des Geodynamos – also jenes Prozesses im äußeren Erdkern, der das Magnetfeld erzeugt.
Was sagt das über das Erdinnere?
Das Erdmagnetfeld entsteht durch Konvektionsbewegungen von flüssigem Eisen im äußeren Kern. Diese Strömungen werden durch Wärmeflüsse an der Kern-Mantel-Grenze beeinflusst. Numerische Geodynamo-Simulationen zeigen: Ändert sich die Stärke oder das Muster dieses Wärmeflusses, verändert sich auch die Umkehrhäufigkeit.
Solche Änderungen laufen über sehr lange Zeiträume ab – von mehreren zehn bis zu hunderten Millionen Jahren. Mantelkonvektion und sogenannte wahre Polwanderung spielen dabei eine Rolle.
Wenn nun statistische Einbrüche auf bislang unentdeckte Umkehrungen hinweisen, betrifft das nicht nur die Datierungsmethodik. Es liefert auch Hinweise auf die Dynamik des tiefen Erdinneren.
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