Oriented Magnetic Field Measurements during IODP Expedition 330 to the Louisville Seamount Chain

Ehmann, Sebastian

The major objective of this thesis is to reorient and analyze three component magnetic field data recorded in two boreholes during Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Expedition 330 to the Louisville Seamount Chain. One aim of the expedition was to determine whether the hotspot that created the seamount chain during the past 80 million years is moving relative to the Hawaiian-Emperor hotspot or if it remained stationary within the mantle. The magnetic field measurements were conducted with the Göttinger Bohrlochmagnetometer, which comprises fibre optic gyros that measure the rotations of the tool within the borehole. In this thesis, I use different algorithms to reorient the measured magnetic field from the tools reference frame into the geographical reference frame. This purpose requires sensors of high accuracy and careful data processing. I present several reorientation algorithms; among others, I introduce two new sensor fusion algorithms for gyro and inclinometer data based on a Kalman filter. Oriented magnetic field data can be used to determine both the inclination and declination of the magnetization of the rocks surrounding the borehole by the application of appropriate models. Measurements on drill core samples can typically only be used to determine the inclination of magnetization, as cores are usually azimuthally unoriented. In the subsequent analysis of the oriented magnetic field data, I use different models for the drilled igneous layers to calculate the magnetization of the subsurface. As horizontal layers turn out to be insufficient to explain the data, I extend the interpretation to inclined layers. I introduce a new approximation for the magnetic field of inclined layers that can be used to separate the calculation of magnetization in an inversion using horizontal layers and a following consideration of potential layer geometries. My approximation additionally reveals possible ambiguities and errors of the measurements. Using images of the borehole wall that give additional information about the possible geometry of a drilled layer inside Burton Guyot (Site U1376), I determine a mean inclination of magnetization of 58.9° and a mean declination of magnetization of 0.4°. These results agree with current theories of a stationary Louisville hotspot. In addition, the result for the declination suggests that Burton Guyot has not been rotated since its formation.

Das Thema dieser Doktorarbeit ist die Reorientierung und Auswertung von vektoriellen Magnetfelddaten, die in zwei Bohrungen während der IODP Expedition 330 zu den Louisville Seamounts aufgezeichnet wurden. Ein Ziel der Expedition war festzustellen, ob der Hotspot, der für die Entstehung dieser Inselkette im Laufe der vergangenen 80 Millionen Jahre verantwortlich ist, sich relativ zu dem Hawaiian-Emperor Hotspot bewegte oder ob er stationär blieb. Für die Magnetfeldmessungen wurde das Göttinger Bohrlochmagnetometer verwendet, dessen faseroptische Kreisel in der Lage sind, die Drehungen der Sonde im Bohrloch zu bestimmen, wodurch das gemessene Magnetfeld aus dem Bezugssystem der Sonde in das geographische Koordinatensystem reorientiert werden kann. Hierfür ist eine hochgenaue Sensorik und sorgfältige Datenprozessierung nötig. Ich stelle verschiedene Reorientierungsalgorithmen vor, unter anderem zwei neue Sensorfusionsalgorithmen für Faserkreisel- und Inklinometerdaten die auf einem Kalman Filter basieren. Der Vorteil von orientierten Magnetfeldmessungen ist, dass man über entsprechende Modelle neben der Inklination auch die Deklination der Magnetisierung des die Bohrung umgebenden Gesteins bestimmen kann. Anhand von Messungen an Bohrkernen lässt sich häufig nur die Inklination der Magnetisierung bestimmen, da die Kerne meist unorientiert entnommen werden. Für die Auswertung der Magnetfelddaten verwende ich verschiedene Modelle. Da horizontale Schichtmodelle nicht ausreichen um die vorhandenen Daten zu erklären, weite ich die Interpretation auf geneigte Schichten aus. Hierzu stelle ich eine neue Näherung vor, die es ermöglicht, die Inversion der Magnetisierung in zwei Schritte aufzuteilen. Zuerst wird ein Horizontalschichtmodell berechnet, woraufhin getrennt davon im zweiten Schritt mögliche Schichtgeometrien berücksichtigt werden. Die Näherung kann auch dafür benutzt werden, um Aussagen über mögliche Uneindeutigkeiten von Messungen zu treffen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über mögliche Schichtgeometrien aus Bildern der Bohrlochwand ermittle ich aus Daten einer Schicht des Burton Guyot (Site U1376) eine mittlere Inklination und Deklination der Magnetisierung von 58.9° und 0.4°. Diese Ergebnisse stimmen mit gängigen Theorien überein, die von einem stationären Louisville-Hotspot ausgehen. Die Ergebnisse für die Deklination deuten darauf hin, dass Burton Guyot seit seiner Entstehung nicht gedreht wurde.

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Ehmann, Sebastian: Oriented Magnetic Field Measurements during IODP Expedition 330 to the Louisville Seamount Chain. Göttingen 2017. Cuvillier.

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