Vier bisher unbekannte geomagnetische Umkehrungen, die so genannten Lima-Limo-Umkehrungen, wurden in den äthiopischen Flutbasalten entdeckt und auf das Oligozän vor etwa 31 Millionen Jahren datiert. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass es in der magnetischen Geschichte der Erde möglicherweise noch weitere unentdeckte Umkehrungen gibt.

Eine am 28. Januar 2025 von Geophysikern der Universität Tokio und des Geological Survey of Japan veröffentlichte Studie wendet eine Kerneldichteschätzung (KDE) mit fester Bandbreite an, um bisher unentdeckte geomagnetische Umkehrungen in Zeiträumen aufzudecken, die zuvor als geomagnetisch stabil galten.

In der Studie wurde analysiert, wie sich die Einbeziehung der Lima-Limo-Umkehrungen in Modelle der geomagnetischen Polaritätszeitskala (GPTS) auf die berechnete Häufigkeit geomagnetischer Umkehrungen auswirkte.

Die Forscher stellten fest, dass die Integration der Lima-Limo-Umkehrungen in das GPTS eine zuvor festgestellte Konkavität in der Nähe von Chron C12r unterdrückte. Dies legt die Vermutung nahe, dass ähnliche Konkavitäten in Umkehrfrequenzmodellen auf weitere unentdeckte geomagnetische Umkehrungen hinweisen könnten.

Bei den Lima-Limo-Umkehrungen handelt es sich um eine Abfolge geomagnetischer Polaritätsumkehrungen, die im Lima-Limo-Abschnitt des nordwestlichen äthiopischen Plateaus festgestellt wurden. Die Umkehrungen wurden durch detaillierte paläomagnetische und gesteinsmagnetische Analysen von 92 aufeinanderfolgenden Vulkaneinheiten entdeckt.

Das Forschungsteam identifizierte drei primäre Polaritätszonen: R1 (anfängliche Zone mit umgekehrter Polarität), N1 (zentrale Zone mit normaler Polarität) und R4 (spätere Zone mit umgekehrter Polarität), die umgekehrten, normalen und umgekehrten magnetischen Polaritäten entsprechen. Die zentrale Zone mit normaler Polarität (N1) wurde in allen Einzelheiten aufgezeichnet.

Die Forscher identifizierten zwischen den primären Polaritätszonen kurzzeitige Intervalle umgekehrter Polarität, die als R2 und R3 bezeichnet werden. Diese Ereignisse, die zusammenfassend als „Lima-Limo-Umkehrungen“ bezeichnet werden, sind im bestehenden GPTS nicht dokumentiert, was auf bisher nicht erkannte geomagnetische Übergänge hinweist.

Die Lima-Limo-Umkehrungen (R2 und R3) sind kurze Intervalle mit umgekehrter Polarität, die innerhalb der zentralen Zone normaler Polarität (N1) auftreten.

Mittels hochpräziser 40Ar/39Ar-Datierungsmethoden wurde das Alter dieser Umkehrungen auf etwa 31 Millionen Jahre während des Oligozäns datiert.

Die spezifischen Namen und detaillierten Merkmale jeder Umkehrung innerhalb der Lima-Limo-Sequenz wurden nicht angegeben. Einzelne Namen und Definitionen für jede Umkehrung werden derzeit nicht angegeben, während der Sammelbegriff „Lima-Limo-Umkehrungen“ zur Beschreibung der Ereignisse verwendet wird.

Verwendung von KDE mit fester Bandbreite statt KDE mit adaptiver Bandbreite

In der Paläomagnetikforschung werden verschiedene statistische Methoden zur Analyse geomagnetischer Daten eingesetzt, jede mit ihren Stärken und Schwächen. In der Forschung wurde KDE mit fester Bandbreite verwendet, um feinere Details in den geomagnetischen Aufzeichnungen zu erfassen. Frühere Studien verwendeten dagegen KDE mit adaptiver Bandbreite, wodurch Umkehrfrequenzmodelle möglicherweise übermäßig geglättet wurden.

Die KDE-Methode mit fester Bandbreite wurde gegenüber der KDE-Methode mit adaptiver Bandbreite gewählt, da sie einen konsistenten Detaillierungsgrad über den gesamten Datensatz hinweg bietet und damit kurzzeitige geomagnetische Umkehrungen effektiver erkennt, die andernfalls in adaptiven Modellen geglättet werden könnten.

Adaptive Bandbreite KDE passt die Bandbreite basierend auf der lokalen Datendichte an, was in Bereichen mit weniger Datenpunkten zu einer Überglättung führen kann. Dies kann dazu führen, dass kurzzeitige Umkehrungen, wie die Lima-Limo-Umkehrungen, übersehen oder ausgemittelt werden.

Der KDE mit fester Bandbreite hingegen wendet eine einheitliche Bandbreite auf alle Datenpunkte an und stellt so sicher, dass auch geringfügige Abweichungen in der Umkehrfrequenz erfasst werden.

Viele geomagnetische Umkehrungen sind kurzlebig und können schwierig zu erkennen sein, wenn die Modellierungstechnik die Daten zu stark glättet. KDE mit fester Bandbreite behält die zur Erkennung dieser kurzen Ereignisse erforderliche Auflösung bei, im Gegensatz zu KDE mit adaptiver Bandbreite, bei dem diese Umkehrungen in längere stabile Zeiträume zerfallen können.

Lange Chrons (Perioden stabiler magnetischer Polarität, die 0,8 Millionen Jahre oder länger andauern) sind anfällig für Datenglättung in KDE mit adaptiver Bandbreite. KDE mit fester Bandbreite verhindert künstliche Lücken oder Glättung und stellt sicher, dass alle versteckten Umkehrungen innerhalb dieser Perioden sichtbar bleiben.

Da geomagnetische Umkehrungen unterschiedlich lange dauern, kann die Verwendung einer adaptiven Bandbreite zu Inkonsistenzen bei der Erkennung von Umkehrungen über verschiedene Zeiträume hinweg führen. KDE mit fester Bandbreite behandelt alle Datenpunkte gleich und verhindert so Verzerrungen, die durch variable Bandbreitenanpassungen entstehen können.

Die Unterdrückung der Konkavität in der Nähe von Chron C12r nach der Einbeziehung der Lima-Limo-Umkehrungen in das GPTS bietet ein besseres Verständnis der Geschichte des Erdmagnetfelds, indem sie aufzeigt, wie frühere Umkehrfrequenzmodelle möglicherweise wichtige Übergangsereignisse übersehen haben.

Die Konkavität stellte eine unerklärliche Lücke oder Unregelmäßigkeit im Umkehrfrequenzmodell vor dieser Anpassung dar und deutete entweder auf eine Periode ungewöhnlicher magnetischer Stabilität oder auf fehlende Daten hin.

Die Lücke wurde durch das Hinzufügen der Lima-Limo-Umkehrungen geglättet, was darauf hindeutet, dass in anderen im GPTS gefundenen Konkavitäten möglicherweise bisher unentdeckte kurzlebige Umkehrungen vorhanden sind. Der Befund stellt frühere Annahmen in Frage, dass lange Chrons oder Perioden stabiler magnetischer Polarität von 0,8 Millionen Jahren oder mehr frei von magnetischen Schwankungen waren. Er legt vielmehr nahe, dass einige dieser ausgedehnten Perioden möglicherweise unentdeckte Umkehrungen enthalten, die eine genauere paläomagnetische Analyse erfordern, um versteckte Übergänge aufzudecken.

Die Studie verbessert durch die Verfeinerung des Umkehrfrequenzmodells unsere Fähigkeit, das Verhalten des Erdmagnetfelds über Millionen von Jahren zu rekonstruieren, und führt zu einer genaueren Darstellung der Entwicklung des Erdmagnetfelds und seiner Wechselwirkung mit geodynamischen Prozessen.

Die Forschung zeigt, wie wichtig kontinuierliche Verbesserungen der geomagnetischen Forschungsmethoden sind. Zukünftige Untersuchungen sollten sich auf die Verfeinerung von Umkehrfrequenzmodellen und die Durchführung gezielter Studien in geologischen Formationen konzentrieren, in denen in den vorhandenen Daten Konkavitäten vorhanden sind.

Die Anwendung von KDE mit fester Bandbreite in der Forschung hat sein Potenzial als leistungsfähiges Werkzeug zur Identifizierung subtiler Merkmale in geomagnetischen Aufzeichnungen bewiesen.

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