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Origin of magnetic anomalies in pyroclastic rocks of the Messel volcano : insights into a maar-diatreme-structure

Die Herkunft magnetischer Anomalien in Pyroklastika des Messel Vulkans: Einblicke in eine Maar-Diatrem-Struktur

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-23231
  • In 2001 the 433 m deep Messel 2001 borehole was drilled in the centre of the Messel Pit, 25 km south of Frankfurt (Germany). Geoscientific results from this drilling clarified the origin of the circular-shaped basin as a maar-diatreme-structure. Recovered deposits consist of lacustrine sediments (0-240 m) and volcaniclastic rocks such as lapilli tuffs (240-373 m) as well as rocks of the underlying diatreme breccia (373 433 m). The lapilli tuffs, as main interest here, show little differentiation on a macro- and microscopic scale and appear as aIn 2001 the 433 m deep Messel 2001 borehole was drilled in the centre of the Messel Pit, 25 km south of Frankfurt (Germany). Geoscientific results from this drilling clarified the origin of the circular-shaped basin as a maar-diatreme-structure. Recovered deposits consist of lacustrine sediments (0-240 m) and volcaniclastic rocks such as lapilli tuffs (240-373 m) as well as rocks of the underlying diatreme breccia (373 433 m). The lapilli tuffs, as main interest here, show little differentiation on a macro- and microscopic scale and appear as a massive and unsorted volcaniclastic body with dominating juvenile lapilli and accidental clasts mostly in the range of (sub)millimetres to centimetres in diameter. This study presents rock magnetic properties measured on core samples of the volcaniclastic units and explains the origin of downhole magnetic anomalies detected during the drilling project in 2001. Magnetic behaviour of the erupted material is related to fine-grained, Fe-rich (titano)-magnetites, which are dispersed within the juvenile lapilli. Temperature-dependent susceptibility experiments, isothermal remanent magnetisation and hysteresis investigations demonstrate similar ferrimagnetic properties throughout the volcaniclastic material, in terms of composition, coercivity and grain size (pseudo-single-domain particles) of the ferrimagnetic minerals. Thus, during emplacement of the erupted material, the ferrimagnetic minerals had the same remanence acquisition potential. However, demagnetisation experiments show different magnetic stability behaviour of the acquired natural remanent magnetisation (NRM). Heating experiments prove the acquisition of thermal remanent magnetisation (TRM) dominated by temperature effects which could have been occurred during eruption and deposition of volcanic material, forming the Messel maar-diatreme. It is assumed that the upper half of the lapilli tuffs was deposited at relatively low depositional temperatures (<300 °C), whereas the material of the lower half took advantage of higher temperatures (>>300 °C). To understand the rock magnetic character within the Messel maar-diatreme-facies, particle grain sizes, the degree of the relative fraction dominance and the shape of the juvenile fragments have been studied in more detail. Image analytical methods as well as major and trace element analyses on the juvenile fraction support the clear subdivision of the lapilli tuffs. These findings in combination with rockmagnetic data indicate a separation into a relatively hot, geochemically undifferentiated eruption phase and a colder, differentiated phase. A two-condition eruption stage at the end of the Messel volcanic activity is suggested. The juvenile particles account for the temperature evolution and heat conditions during deposition of the Messel tuffs and contribute to the origin of magnetic field anomalies. Based on gravity parameters and the results of magnetisation properties, the potential field 3D-model of the Messel subsurface explains the negative ground anomalies, calculates the mass and volume parameters of the drilled lithozones and shows the asymmetric appearance of the diatreme-structure.show moreshow less
  • Im Jahre 2001 wurde im Zentrum der Grube Messel, ca. 25 km südlich von Frankfurt gelegen, eine 433 m tiefe Bohrung abgeteuft. Geowissenschaftliche Ergebnisse, die durch die Bohrung gewonnen wurden, konnten die Herkunft des rundlichen Beckens durch eine Maar-Diatrem-Struktur erklären. Die erbohrten Kerne sind vom Hangenden zum Liegenden durch lakustrine Sedimente (0-240 m) und vulkaniklastische Gesteine gekennzeichnet, letztere werden durch Lapillituffe (240-373 m) and der Diatrem-Brekzie (373 433 m) beschrieben. Die Lapillituffe, auf die hierIm Jahre 2001 wurde im Zentrum der Grube Messel, ca. 25 km südlich von Frankfurt gelegen, eine 433 m tiefe Bohrung abgeteuft. Geowissenschaftliche Ergebnisse, die durch die Bohrung gewonnen wurden, konnten die Herkunft des rundlichen Beckens durch eine Maar-Diatrem-Struktur erklären. Die erbohrten Kerne sind vom Hangenden zum Liegenden durch lakustrine Sedimente (0-240 m) und vulkaniklastische Gesteine gekennzeichnet, letztere werden durch Lapillituffe (240-373 m) and der Diatrem-Brekzie (373 433 m) beschrieben. Die Lapillituffe, auf die hier das Hauptaugenmerk gelegt wurde, sind makro- und mikroskopisch schwer differenzierbar und erscheinen als ein einzig massig auftretender, unsortierter vulkaniklastischer Körper, der hauptsächlich aus millimeter- bis zentimeter-großen juvenilen Klasten und Nebengesteinsbruchstücken aufgebaut ist. Die hier vorliegende Arbeit präsentiert die gesteinsmagnetischen Eigenschaften von Kernproben der Messel Vulkaniklastika und erklärt die Herkunft der magnetischen Anomalien, die während des Bohrprojekts 2001 detektiert wurden. Das magnetische Verhalten des eruptierten Materials bezieht sich auf feinkörnige und eisenreiche (Titano) Magnetite, die verteilt in den juvenilen Lapilli auftreten. Experimente der temperaturabhängigen Suszeptibilität sowie isothermale remanente Magnetisierungs- und Hystereseuntersuchungen an den vulkaniklastischen Proben zeigen im Sinne der Zusammensetzung, Koerzivität und Korngröße (Pseudo-Einbereichsteilchen) sehr ähnliche ferrimagnetische Eigenschaften. Das eruptierte Material mit seinen ferrimagnetischen Mineralen besaß bei der Ablagerung ein sehr ähnliches Potential zum primären Remanenzerwerb. Entmagnetisierungsversuche offenbaren Unterscheide im magnetischen Stabilitätsverhalten der erworbenen natürlich remanenten Magnetisierung (NRM). Aufheizexperimente beweisen die Akquisition einer thermisch remanenten Magnetisierung durch Temperatureffekte, die bei der Eruption und der Ablagerung des vulkanischen Gesteins im Diatrem auftraten. Die obere Lapillituffhälfte wurde bei relativ niedrigen Temperaturen (<300 °C), die unter Hälfte bei hohen Temperaturen (>>300 °C) abgelagert. Um den gesteinsmagnetischen Charakter der Messel Maar-Diatrem-Fazies besser zu verstehen, sind zusätzlich die Partikelkorngröße, der relative Anteil und die Form der juvenilen Fragmente sowie deren chemische Zusammensetzung näher untersucht und analysiert worden. Die Methodik der Bildanalyse sowie der Haupt- und Spurenelementanalyse des juvenilen Anteils ermöglicht eine klare Unterteilung der Lapillituffe. Die Kombination der Resultate der Partikelanalytik mit den gesteinsmagnetischen Befunden begünstigt die Einteilung der Vulkaniklastika in eine relativ heiße, geochemisch undifferenzierte und eine kältere, differenzierte Eruptionsphase. Somit liegt am Ende der vulkanischen Aktivität von Messel ein bivalentes Stadium zugrunde. Dabei sind die juvenilen Fragmente für die Temperaturentwicklung und Wärmebedingungen innerhalb des vulkaniklastischen Materials verantwortlich und tragen zur Herkunft der magnetischen Feldanomalien bei. Basierend auf gravimetrischen Parametern und den Ergebnissen der Magnetisierungs-eigenschaften der Pyroklastika ermöglicht ein 3D Potentialfeld-Modell der Messel Maar-Diatrem-Struktur die an der Erdoberfläche gemessenen negativen Anomalien zu erklären, sowie die Massen und Volumina der erbohrten Lithozonen zu berechnen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas Nitzsche
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-23231
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften (bis Sept. 2007)
Faculties:Fakultät für Geowissenschaften (bis Sept. 2007) / Institut für Geologie
Date of final exam:2007/06/13
Language:English
Year of Completion:2007
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
GND Keyword:Magnetische Anomalie; Messel Grube; Pyroklastit
Tag:Gesteinsmagnetik; Maar Vulkane; Pyroklastika
maar volcanoes; pyroclastic rocks; rock magnetism
Release Date:2007/06/25
Advisor:Prof., Dr. Wall, Helga de Wall