delle Rocce Istituto Nazionale di Geofisica e

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1 Paleomagnetismo e Magnetismo delle Rocce Leonardo Sagnotti Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia l Roma

2 Con il termine Rock magnetism si intende la disciplina che si occupa dello studio delle proprietà magnetiche delle rocce e dei minerali magnetici. E una delle più antiche discipline scientifiche nella storia dell umanità. Gli storici discutono ancora sul quando ed il dove le proprietà magnetiche delle rocce siano state scoperte e descritte per la prima volta (in figura una lodestone, un raro magnete naturale).

3 Alcuni storici ritengo che il filosofo greco Talete fece le prime osservazioni iscientifiche ifi sulle ld lodestone, nel VI secolo a.c. La stessa parola magnetite deriva dalla antica città greca di Magnesia ad Sipylum (o sul Meandro), in Anatolia. Nei dintorni di Magnesia, infatti, si torvavano queste pietre it che avevano la misteriosa proprietà di attarsi o respingersi l un l altra. Già dal III secolo a.c., la letteratura cinese fa riferimento alle proprietà della chi si, la pietra amante, ancora un altro nome per rocce ricche in magnetite. Le prime testimonianze mostrano una bussola costituita da un oggetto aforma di cucchiaio libero di ruotare su piano ad attrito ridotto, utlizzata come indicatore del Sud e datato al periodod della Dinastia Han Dynasty (II secolo a.c. II secolo AD). Una delle prime scuole di pensiero (quella degli animisti) riteneva che il potere di attrazione mostrato da queste pietre magnetiche fosse dovuto al fatto che esse possedevano un anima.

4 La teoria fisica del ferromagnetismo è stata introdotta da Weiss nel Weiss ipotizzò che il ferro ed altri materiali ferromagnetici i fossero caratterizzati ti da un campo molecolare l interno alla sostanza, che portava all isoallineamento dei singoli momenti magnetici atomici e risultava in una magnetizzazione spontanea del materiale. I fondamenti teorici del rock magnetism sono stati sviluppati nella prima metà del XX secolo da Koenisberger, Thellier, Nagata (il suo libro Rock Magnetism è del 1953) e da Néel, il quale tentò di comprendere e di riprodurre il meccanismo con cui le rocce ignee sono magnetizzate in natura (Néel introdusse i concetti della meccanica quantistica nello studio del magnetismo e ricevette il premio Nobel nel 1970). Al giorno d oggi, lo studio del magnetismo delle rocce si prefigge principalmente di comprendere in che modo le proprietà magnetiche di una roccia influenzano la sua capacità di fornire una registrazione del campo magnetico del passato (campo di ricerche nel Paleomagnetismo).

5 La Fisica del Magnetismo (concetti di base) Si definiscono tre vettori magnetici: (1) H Campo magnetico (2) B Induzione magnetica (3) M Magnetizzazione i Il campo magnetico H è un campo vettoriale ed è definito in ogni punto da una direzione ed una intensità. Le linee di forza del campo magnetico sono note come flusso magnetico. La densità delle linee di flusso è una misura dell intensità del campo magnetic: l induzione magnetica B. B ed H sono strettamente correlate. La relazione tra B ed H è data da: B = μ 0 (H+M) dove la magnetizzazione M è un momento magnetic per unità di volume (in Am 1 ) o per unità di massa (in Am 2 kg 1 ) e μ 0 è un parametro noto come permeabilità magnetica del vuoto. In sistema internazionale μ = 4π 10 7 H m 1 0. Nel vuoto B = μ 0 H.

6 Suscettività Magnetica La suscettività magnetica esprime una misura della risposta magnetica di un materiale all azione azione di un campo magnetico esterno. Tutti i materiali sono suscettibili di essere magnetizzati sotto l azione di un campo magnetico applicato e la suscettività magnetica è una misura dell intensità del campo magnetic indotto in un materiale. La suscettività magnetica è definita come il rapporto tra la magnetizzazione indotta (M i or J i ) e l intensità del campo applicato (H i ), (per un campo di bassa intensità, generalmente 7-8 volte l intensità del campo magnetico terrestre), dove J i = χ ij H j (per unità di massa) χ in unità di m 3 /kg M i = k ij H j (per unità di volume) k è adimensionale in SI Sulla base della suscettività magnetica tutte le sostanze possono essere classificate in diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche.

7 Il Ferromagnetismo sl Nei materiali ferromagnetici i momenti magnetici di spin instaurano fra loro un processo di interazione elettrostatica, detta interazione di scambio. Il magnetismo naturale deriva invece da composti il cui comportamento magnetico può ricadere in queste categorie: Ferrimagnetismo momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di magnetizzazione antiparallela e diversa intensità, magnetizzazione non nulla. Antiferromagnetismo momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di magnetizzazione antiparallela e uguale intensità, magnetizzazione nulla. f l d b d l d Antiferromagnetismo inclinato momenti magnetici distribuiti in due sottoreticoli di magnetizzazione non bilanciata, magnetizzazione debole.

8 Ferromagnetismo L interazione i di scambio favorisce la formazione di strutture tt in cui tuttitti i momenti netti di spin sono allineati in una medesima direzione; tali strutture sono denominate domini magnetici. Il ferromagnetismo sussiste fino ad una temperatura caratteristica per ogni mezzo e denominata temperatura di Curie, in cui l energia termica diviene prevalente ed impedisce i processi di interazione.

9 Il ciclo d isteresi La suscettività magnetica di un ferromagnete è una curva complessa che viene denominata ciclo d isteresi, in cui si individuano alcuni punti notevoli: o Magnetizzazione di saturazione, la massima magnetizzazione raggiungibile dal mezzo, quando tutti i domini sono allineati al campo agente. o Magnetizzazione i rimanente, la magnetizzazione i esibita dl dal corpo in assenza di campo; ecco come funziona una calamita! o La coercitività, il campo magnetico necessario ad annullare la magnetizzazione misurata mentre aiseil agisce il campo. o La coercitività della rimanenza, il campo magnetico necessario ad annullare la magnetizzazione rimanente.

10 Ferromagnetismo e granulometria magnetica Le caratteristiche d isteresi e di stabilità magnetica non dipendono soltanto dalla natura dei minerali magnetici, ma anche dalle loro dimensioni e stato magnetico. Le particelle magnetiche vengono classificate in quattro categorie dipendenti dimensione e dal relativo comportamento magnetico; nel caso della magnetite, si possono avere le seguenti caratteristiche granulari: Superparamagnetici i (SP); granuli molto piccoli (d< μm) ) e magneticamente t instabili; l energia termica ambientale è sufficiente a disorientarli. In assenza di campo la loro magnetizzazione è sempre zero. Singolo dominio (SD); granuli costituiti da un unico dominio magnetizzato e saturo (il suo ciclo d isteresi è un quadrato); idealmente, l unico modo per cambiare la magnetizzazione è invertirla; massimi valori di rimanenza e campo coercitivo (0.035 μm< d < μm). Pseudo singolo dominio (PSD); vasta tipologia di granuli dimensionalmente al limite tra il singolo dominio e il multidominio, di magnetizzazione ancora stabile (0.08 μm <d<15 μm). Multidominio (MD); granuli di dimensioni maggiori, suddivisi in vari domini magnetici, la magnetizzazione globale del granulo è meno stabile ed intensa a causa delle interazioni edegliequilibritraidominicostituenti (d>20 μm). )

11 Minerali magnetici o OSSIDI DI FERRO - Magnetite (Fe 3 O 4 ); - Ematite (α - Fe 2 O 3 ); - Maghemite (γ - Fe 2 O 3 ) Soluzioni solide con ossidi di titanio: Titano-magnetiti: membri intermedi della serie Ulvospinello (Fe2TiO4) - Magnetite (Fe 3 O 4 ); Ilmeno-ematiti: membri intermedi della serie Ilmenite (FeTiO 3 ) - Ematite (Fe 2 O 3 ) o IDROSSIDI DI FERRO - Goethite (α-feo. OH); o SOLFURI DI FERRO - Pirrotine (FeS I+ x,; 0 x 0.14); - Greigite (Fe 3S 4 4) o ELEMENTI - Ferro; - Nichel. Leonardo Sagnotti lezioni di paleomagnetismo

12 Il prelievo di campioni orientati sul terreno

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14 Il laboratorio di paleomagnetismo

15 Possibili applicazioni dello studio della magnetizzazione naturale rimanente (NRM) delle rocce studi geodinamici a scala globale; - determinazione delle successive posizioni ed orientazioni, nel corso dei tempi geologici, delle diverse placche litosferiche (definizione di curve di deriva polare apparente - APWP); - definizione dell'espansione dei fondali oceanici; quindi, nel complesso, ricostruzioni paleogeografiche a scala planetaria; studi di geodinamica a scala regionale e/o locale (ad esempio nelle fasce orogeniche e nelle aree a deformazione complessa e diffusa): identificazione e definizione di rotazioni di blocchi, microplacche e strutture crostali a diversa scala, intorno ad assi verticali (ad esempio, per imporre vincoli alle ricostruzioni geodinamiche nell'area mediterranea); studi di stratigrafia magnetica e costruzione di una scala cronologica globale paleomagnetica - GPTS; ossia analisi dell alternarsi delle inversioni di polarità magnetica nelle. successioni rocciose; con possibilità di affiancare in modo indipendente altre analisi stratigrafiche (e correlare fra loro, ad esempio, successioni sedimentarie e vulcaniche oppure successione marine e continentali); studi sul carattere del campo geomagnetico nel passato: - paleovariazioni secolari (ad esempio in successioni lacustri ad alto tasso di sedimentazione), che permettono di estendere notevolmente nel tempo le osservazioni i strumentali storiche sulla variabilità del campo stesso; - analisi del campo durante le inversioni di polarità, con possibilità di vincolare le interpretazioni dei processi fisici, nel nucleo terrestre, che originano il campo stesso e ne regolano le variazioni; - stime di paleointensità (utilizzate, inoltre, per calibrare le datazioni con il 14 C; le variazioni dintensità d'intensità del campo si riflettono infatti in una diversa efficacia di schermo della magnetosfera e dunque in un diverso tasso di produzione di elementi radiogenici).

16 Determinare la posizione dei continenti nel passato geologico ricostruzioni ioni paleogeografiche globali Le rocce sono bussole! Mediata su anni, la componente dipolare del campo magnetico terrestre (quindi, la conseguente direzione di magnetizzazione di una roccia) si può considerare parallela all asse terrestre; pertanto l angolo tra la direzione di magnetizzazione di un campione scelto opportunamente e la direzione geografica N-S rappresenta quanto la roccia ha ruotato dall epoca della sua formazione.

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20 Determinare le rotazioni nelle catene orogeniche ricostruzioni ioni geodinamiche a scalaregionale

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23 Determinare la successioni degli stati di polarità del campo La magnetostratigrafia

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28 Applicazioni ambientali; caratterizzazione delle paleovariazioni climatiche ed ambientali.

29 Variazione della suscettività magnetica in due carote dall Atlantico centrale (Site 661) e dal Mare Arabico (Site 721). L analisi spettrale relativa agli ultimi 400 mila anni mostra periodicità tipiche orbitali (o di Milankovitch).

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31 Applicazioni ambientali; caratterizzazione dell inquinamento atmosferico da misurazioni magnetiche su polveri sottili. Le polveri presenti in atmosfera sono costituite da un ampia varietà di sostanze solide e liquide (aerosol), di origine naturale o derivate dall inquinamento antropico.

32 Proprietà magnetiche delle polveri sottili: misure di laboratorio Le particelle magnetiche che derivano dai processi di combustione dei veicoli; sono per lo più sferule di magnetite di dimensioni submicroscopiche, contraddistinte da proprietà magnetiche intense e stabili.

33 Proprietà magnetiche delle foglie Le proprietà magnetiche delle foglie degli alberi possono essere interpretate quali indicatori dell inquinamento da polveri sottili; le foglie, composte principalmente da acqua, dovrebbero essere diamagnetiche; se si misurano suscettività magnetiche positive, significa che hanno incorporato particolati metallici dovuti all inquinamento. Platanus (platano) Quercus Ilex (leccio) Sono state selezionate foglie da alberi ad alta diffusione aroma (platano, leccio).

34 Confronto tra siti di tipologia differente a Roma Ivalori più alti di suscettività si misurano nei luoghi a maggiore traffico veicolare confermando che i veicoli sono la maggiore sorgente di polveri fini magnetiche Platanus Quercus (10-8 m 3 /kg) P. Becadelli Consoli Don Bosco Lemonia Casilina Re di Roma Acquedotti suburban park Low/medium traffic High traffic

35 Mappe di distribuzione degli inquinanti Si possono compilare mappe di distribuzione della suscettività magnetica k delle foglie, per evincere l andamento spazio temporale dell inquinamento con una risoluzionespazialepiù i il iù fitta rispetto alle centraline econ dati mediati i nel tempo. Magnetic susceptibility 0 to 7 7 to to to to July