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Origini e fenomenologia del magnetismo ambientale Sovente ho visto con gran piacere un magnete intrappolato fra ceneri ardenti, che irradiava una fiamma.

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1 Origini e fenomenologia del magnetismo ambientale Sovente ho visto con gran piacere un magnete intrappolato fra ceneri ardenti, che irradiava una fiamma blu e odore di zolfo e ferro, e che mentre veniva consumato perdeva la principale qualità della sua anima, e cioè la sua virtù attrattiva, che svaniva. È la puzza del ferro e dello zolfo ciò che distrugge il ferro e lo riduce a calce, oppure lo consuma attraverso altre operazioni chimiche che facilmente può far avvenire. Io penso che quella stessa anima, posta in un altro corpo, debba necessariamente sviluppare le stesse facoltà. Giambattista della Porta ( ) (The Seventh Book of Natural Magick: "The Wonders of the Loadstone“) Magnetic microscopy image of asteroid ALH84001

2 H = 0 H = H s

3 Hematite crystals

4 Magnetite Gemstone

5 Domini Magnetici Supponiamo che un corpo rettangolare sia magnetizzato in modo uniforme, e che perciò si comporti come un unico dominio (single domain). Poli magnetici opposti si formeranno sulle due estremità, a causa della magnetizzazione e saranno essi stessi origine secondaria di un contro-campo magnetico (campo smagnetizzante). L’energia associata con la distribuzione di queste cariche polari di superficie è chiamata energia magnetostatica. L’energia magnetostatica può essere approssimativamente dimezzata se la magnetizzazione si divide in due domini magnetizzati in verso opposto. Questo comporta che le regioni polarizzate si affianchino, portando a una diminuzione dell’estensione nello spazio del campo smagnetizzante. La suddivisione in domini però non può proseguire indefinitamente poiché la regione di transizione fra i domini (chiamata parete del dominio) richiede energia per essere prodotta e mantenuta. Alla fine si instaura un equilibrio con un numero di domini dipendente dalle dimensioni di ogni singola particella.

6 Domini Magnetici

7 SS S S NNNNNNNNSSSSSS S N N N

8 Struttura a domini e dimensioni biomagnetics

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10 Diagramma di Day (Day-plot) Proprietà di isteresi di particelle SD, PSD e MD: La forma di un ciclo di isteresi è determinata, in parte, dalla configurazione dei domini. I cicli per materiali SD sono di solito più allargati dei cicli di materiali MD. Questo dipende dal fatto che nei material SD sono più elevati la rimanenza e i campi coercitivi. I parametri dei cicli di isteresi, M R /M S e H R /H c, si sono dimostrati utili per distinguere la configurazione a domini. In particolare un elevato rapporto M R /M S differenzia in modo netto le particelle SD rispetto alle altre.

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12 Rock Magnetism (Domini Magnetici) Abbiamo cominciato a comprendere che i processi di magnetizzazione sono legati al bilancio di “energia” immagazzinata nei materiali. Questo è un concetto fondamentale: per comprendere come “l’energia magnetica” dei singoli grani resti “bloccata” nel tempo occorre prendere in considerazione il concetto di anisotropia magneto- cristallina e metterlo in relazione con il volume e l’energia termica delle particelle magnetiche. I fondamenti del paleomagnetismo e dello archeomagnetismo sono anche comprensibili se ci si rimanda al concetto di viscosità magnetica, ossia alla variazione della magnetizzazione nel tempo a temperatura costante.

13 Radioattività: tempo di dimezzamento Magnetizzazione: tempo di rilassamento,  M t = M 0 e -t / 

14 Domini Magnetici: Anisotropia Magnetocristallina

15 Rock Magnetism Consideriamo un insieme di particelle magnetiche mono-dominio orientate casualmente, fra loro non-interagenti. Supponiamo, inoltre, che ogni particella abbia un unico asse di “facile magnetizzazione” (indicato in figura con le lineette) e che la magnetizzazione possa orientarsi in entrambi i versi lungo la direzione dell’asse. Ogni volta che una particella acquista energia termica sufficiente per sorpassare la soglia dell’energia di anisotropia associata con il passaggio attraverso la direzione di “difficile magnetizzazione” il momento magnetico inverte direzione lungo l’asse facile. In assenza di campo esterno, i momenti tenderanno a mantenersi disordinati e la magnetizzazione complessiva decadrà secondo un fattore esponenziale

16 Tempo di rilassamento della magnetizzazione (viscosità magnetica) C ~ 10 9 s -1 = tentativi al secondo – attempt frequency (legata al moto vibrazionale) E 1 =barriera di energia potenziale E 2 =energia termica

17 La probabilità di transizione della barriera energetica E fra due “configurazioni” magnetiche porta ad un tempo di rilassamento, , per la funzione esponenziale di decadimento della magnetizzazione (k=Boltzmann; T=temp): C= s -1 frequenza di tentativi V=volume del dominio, H K =Campo di anisotropia M S = Magnetizzazione di saturazione; M S H K = K a (costante anisotropia)

18 Pochè l’energia di anisotropia (K) controlla fortemente il campo coercitivo, il tempo di rilassamento è proporzionale ad esso, oltre che funzione del volume, e inversamente proporzionale alla temperatura (concetto base per la “thermal remanent magnetization” e la “thermal demagnetization”).  varia rapidamenti per piccole variazioni di questi parametri vi è una transizione netta fra grani virtualmente instabili (t dell’ordine del secondo) e grani con stabilità di 10 9 anni. Grani con secondi hanno energia termica sufficiente per superare l’energia di anisotropia frequentemente e sono stabili solo per esperimenti di laboratorio. In assenza di campo, questi grani tenderanno ad allineare la manetizzazione casualmente, in presenza di campo, tenderanno ad allinearsi ad esso. Poiché seguono il campo ma diventano liberi in sua assenza, questo comportamento è simile al paramagnetismo e questi grani sono chiamati superparamagnetici.

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20 Multi Domain Grains MD (magneticamente instabili) Pseudo Single Domains Grains PSD(stabili) Single Domain Grains SD (stabili) Superparamagnetic Grains SP (instabili) Volume dei grani – Domini - Stabilità Magnetica Dimensione grani

21 Blocking Temperature Consideriamo un flusso di lava appena fuoriuscita. 1) La lava solidifica e si trasforma in roccia. 2) Finché la roccia è sopra la Temperatura di Curie, non si ha induzione di magnetizzazione rimanente; nel sistema domina l’energia termica. 3) Quando la roccia raffreda oltre la Temperatura di Curie della fase magnetica (es. magnetite), l’energia di scambio diventa il termine prevalente e la roccia acquisisce una rimanenza. 4) La magnetizzazione, però, è ancora libera di seguire il campo magnetico ambientale, perché l’energia di anisotropia è meno forte del termine di energia magnetostatica. 5) A causa dell’energia di anisotropia, raffreddando ulteriormente, i momenti magnetici nella lava tendono ad allinearsi lungo le direzioni di facile magnetizzazione, favorendo, in modo statisticamente rilevante, quelle che presentano l’angolo minimo di deviazione rispetto al campo applicato. 6) A questo punto del raffreddamento, punto che dipende delle caratteristiche delle singole particelle, l’energia termica è sovrastata dall’energia di anisotropia ed il momento magnetico risulta “congelato” o “bloccato” nella sua ultima configurazione. Il punto di “congelamento”, corrisponde a quella che viene detta ”blocking temperature” (temperatura di bloccaggio), al di sotto della quale i momenti magnetici sono fissi e “protetti” da ulteriori possibili variazioni dovute ai campi magnetici ambientali.

22 Primary Magnetization Process La Magnetizzazione Rimanente (Mr) è la magnetizzazione ritenuta da un materiale anche in assenza di campo esterno. Se un minerale magnetico subisce a temperatura ambiente l’azione di un forte campo magnetico che poi è ridotto a zero, un valore di Mr sarà mantenuto nel minerale. Questo accade ad ogni materiale magnetico, tuttavia la magnetizzazione rimanente non è in genere stabile e può essere rimossa/modificata per applicazione di un campo con direzione inversa rispetto a Mr a temperatura ambiente. In taluni casi, però, la magnetizzazione rimanente è sufficientemente stabile e ampia da potersi mantenere inalterata per centinaia di milioni di anni, costituendo la Magnetizzazione Rimanente Naturale (NRM) Primaria.

23 Secondary Magnetization Processes Un certo numero di processi può contribuire ulteriormente alla rimanenza magnetica (l’esposizione agli agenti ambientali, riscaldamento, fulmini, invecchiamento, …) dando luogo a componenti aggiuntive della NRM: Magnetizzazione Termorimanente (TRM) è quella dovuta a processi di cottura, riscaldamento sotto l’azione del campo terrestre; La Magnetizzazione Rimanente Viscosa (VRM) è dovuta all’azione del campo terrestre a temperatura ambiente: un materiale può acquisire una componente additiva della magnetizzazione per applicazione di un campo debole su un periodo di tempo molto lungo (secoli, ere). La Magnetizzazione Rimanente Chimica (CRM) è legata alla crescita o alla trasformazione dei cristalli che compongono il materiale magnetico. La CRM risulterà come dovuta a una componente additiva presente nei cristalli di nuova formazione che hanno acquisito una NRM nella direzione del campo presente durante la trasformazione strutturale. Solo pochi esperimenti sono stati effettuati per verifica eil modello esplicativo della CRM. In genere la componente CRM è parallela al campo terrestre e proporzionale alla sua intensità.

24 Thermoremanent magnetization (TRM) Se un minerale ferromagnetico è a temperatura elevata, si comporta come un paramagnete. Tuttavia, se viene fatto raffreddare sotto l’azione di un campo magnetico al disotto di una temperatura caratteristica per ogni materiale, quel minerale comincerà ad acquisire una magnetizzazione rimanente molto elevata. Questa temperatura è chiamata temperatura di Curie ed è dell’ordine di °C (580° C per la magnetite, 680° C per l’ematite). Quando il materiale raffredda al di sotto della temperatura di Curie, i domini magnetici si formano, allineati col campo terrestre. Il raffreddamento e il processo di allineamento magnetico continuano nell’intervalllo fra 600 °C e 150 °C quando, a basse temperature, i pochi domini che ancora si formano acquisiscono la magnetizzazione più elevata. La magnetizzazione risultante così formata è generalmente da 5 a 100 volte più elevata della magnetizzazione indotta dal campo terrestre a T ambiente. La memoria del campo magnetico viene così “congelata” nel minerale è rimane stabile poichè a T ordinarie i valori dei campi coercitivi dei domini (che devono essere superati per modificare la magnetizzazione), sono molto più elevati dei campi magnetici naturali.

25 Magnetizzazione rimanente isoterma (IRM) –È la magnetizzazione residua generata da un forte campo magnetico applicato su un materiale a temperatura ambiente, per esempio causato da un fulmine. La rimanenza è aquisita istantaneamente durante l’esposizione a campi elevati. Il comportamento di questa componente può essere molto utile per la caratterizzazione mineralogica di un minerale. Magnetizzazione rimanente detritale (DRM). –Anche i sedimenti possono essere magnetizzati. I grani di magnetite sottoposti ad erosione si depositano assieme ad altre particelle formando un sedimento. Mentre i grani di magnetite si disperdono in un fluido (acqua), la loro orientazione si allinea preferenzialmente parallela al campo terrestre. Quando il sedimento si compatta o “litifica”, i grani restano bloccati, orientati nella loro posizione e perciò il sedimento acquisisce una magnetizzazione rimanente dedritale.

26 Detrital Remanent Magnetization (DRM) In the sedimentary environment, rocks become magnetized in quite a different manner from igneous bodies. Detrital grains are already magnetized, unlike igneous rocks which crystallize above their Curie temperatures. In the water column, where viscosity is low, there is a strong tendency for magnetic grains to become aligned with the magnetic field. Nonetheless, there is competition from forces arising from turbulent motions of the water and from thermal agitation (Brownian motion) of the grains themselves. What results is a small net alignment of magnetic grains in the direction of the prevailing field. The remanence acquired is a depositional detrital remanent magnetization (DRM). Magnetic grains may remain mobile for some time after depostion, however, owing to the bioturbation the surficial sediments; the grains may be allowed to realign with the field thus acquiring a post- depositional detrital remanent magnetization or pDRM. At some depth, the grains become fixed as the sediment loses water.

27 Biogenic magnetization Another process involved in the magnetization of sediments is due to the presence of magnetic bacteria that create magnetite as a product of their metabolization of organic matter. Some species, called magnetotactic bacteria, appear to orient in the direction of the applied field. After dead, these and other biogenic magnetites can contribute to the sedimentary remanence.

28 Dalle precedenti osservazioni, possiamo arrivare a definire il comportamento della TRM: 1. La rimanenza magnetica di un insieme di particelle, acquisita attraverso il raffreddamento al di sotto della “blocking temperature”, in presenza di un campo esterno deve essere parallela all’orientazione del campo. 2. L’intensità della rimanenza termica deve dipendere linearmente (proporzionale) dall’intensità del campo magnetico applicato durante il raffreddamento (fino a che si tratta di campi deboli, naturali). 3. Nelle rocce, ogni grano ha un suo “momento” e una “blocking temperature”. Perciò, se il raffreddamento avviene in un intervallo di T, solo una parte dei grani risulterà “bloccata”; si parla in questo caso di partial thermal remanent magnetization o p-TRM. 4. Un assunto essenziale nelle applicazioni è che ogni p-TRM sia indipendente e che la p-TRM acquisita attraverso il raffreddamento “sotto campo” in un intervallo di T sia rimovibile per riscaldamento nello stesso intervallo di T con “campo nullo”. 5. I risultati sperimentali confortano queste affermazioni teoriche, anche se il contributo dei grani multi-dominio complica il quadro e occorrono alcune precisazioni concettuali per comprendere la variazione della configurazione magnetica.

29 Leggi di Thellier: Additività, Reciprocità e Iindependenza della partial TRM Additività: la pTRMs prodotta in intervalli di T adiacenti equivale alla TRM sull’intero intervallo considerato: grani SD hanno distinte “blocking temperatures” T B Reciprocità: la pTRMs prodotta dal raffreddamento in campo è completamente persa per smagnetizzazione, riscaldamento a campo zero, T UB =T B Indipendenza: la pTRMs non può influenzare effetti di “blocking” o “unblocking” (UB) di altre pTRM, in intervalli di T B non sovrapposti

30 Rimanenza Magnetica Naturale (NRM) Le rocce si magnetizzano in diversi modi. Le rocce ignee e sedimentarie possono poi subire trasformazioni chimico-fisiche e acquisire un segnale magnetico secondario, di origine chimica. Molti materiali magnetici sono in grado di acquisire una ulteriore rimanenza magnetica “viscosa”. Le diverse componenti si sommano assieme a costituire la magnetizzazione rimanente naturale (NRM) che è la rimanenza “emergente”. L’obiettivo di analisi laboratori archeo- e paleo-magnetici consiste nell’isolare le diverse componenti della NRM e definirne origine, età e attendibilità. Per l’analisi, il campione viene scaldato (T) e poi raffreddato dapprima in assenza di campo (schermando anche quello terrestre) - si ricava NRM. Successivamente si ripetono i trattamenti termici in un campo noto, H lab, accuratamente riprodotto in ogni esperimento - si ricava TRM. Nel grafico che riporta NRM in funzione di TRM, la pendenza risulta uguale al rapporto H a /H lab Occorre riprodurre accuratamente T, la procedura è complessa e lunga (per esempio si tenta di applicare le microonde per la smagnetizzazione).

31 Blocking Temperature

32 Risulta Certamente vi sono alcune controindicazioni, parte della rimanenza originaria può essere andata perduta per ri-magnetizzazione viscosa (bassa T) o il minerale può essere stato soggetto a modifiche chimiche e strutturali (alta T) ne consegue un’errata stima di H a per basse ed elevate T.

33 Sperimentalmente l’intensità della TRM è proporzionale (anche se non conosciamo la legge che regola la correlazione) al campo magnetico applicato se H < 0.1 mT (1 Oe) In questa zona del campo l’intensità della rimanenza originaria NRM risulta proporzionale al campo applicato in laboratorio H lab con la stessa costante/legge al campo geomagnetico antico H a

34 Esempi di deviazione dal comportamento ottimale dei diagrammi NRM/TRM per basse ed elevate T

35 ARCHEOMAGNETISMO

36 Magnetismo ambientale Misure di parametri magnetici per i minerali naturali –concentrazione, dimensione particelle, e mineralogia Concentrazione: suscettività magnetica (, k), suscettività anisteretica (k ARM ), di saturazione (SIRM) Dimensione particella: k ARM / k e parametri di isteresi Mineralogia: S ratio e rimanenza magnetica isoterma “dura” (Hard) [HIRM] –applicazioni stratigrafia (correlazioni ere geologiche) datazione identificazione e analisi delle variazioni paleo-ambientali identificazione delle aree di origine e dei meccanismo di trasporto

37 Diagrammi di Zijderveld Rappresentazione bidimensionale dei vettori per la datazione magnetica: -Declinazione D ȍ -Inclinazione I Riscaldamento smagnetizzante T crescente Campo Alternato Smagnetizzante H AC crescente

38 Proiezione stereografica delle coordinate declinazione e inclinazione Virtual Geomagnetic Pole, with the alpha95 confidence cone. Colours indicate the age of the poles. Mauve square=Devonian; red squares=Carboniferous; green filled triangles=Permian; red filled circles=Jurassic; red unfilled circle= Cretaceous; declinazione inclinazione

39 Frammento di tegola NRM (Ercolano) Demagnetizzazione Termica (0 – 570 °C) Si osservano due componenti della NRM La prima componente (0-250 °C) è acquisita durante l’eruzione, dopo la distruzione dell’edificio, allineata con NRM dei materiali vulcanici La seconda componente ( °C) è quella originaria della tegola, acquisita durante la cottura dell’argilla, non più riconducibile a una direzione correlabile con il campo terrestre

40 Mid-Ocean Ridges: Classification Slow (Mid-Atlantic Ridge; Rate 1-5 cm/yr) Axial zone has a well developed median rift valley; km wide; km deep; rugged topography; Steep walls Intermediate (Northern East Pacific Rise; Rate 5-9 cm/yr) Axial zone has a small median rift only m deep; smooth topography Fast (Southern East Pacific Rise; Rate >9 cm/yr) No median rift in axial zone; very smooth topography

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42 Climatic Catastrophe paleolitico


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