Origini e fenomenologia
del magnetismo
ambientale
Magnetic microscopy
image of asteroid
ALH84001
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 (1535-1615)
(The Seventh Book of Natural Magick: "The Wonders of the Loadstone“)
H=0
H = Hs
Hematite crystals
Magnetite Gemstone
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.
Domini Magnetici
Domini Magnetici
N N N N
S S S S
S S
N N
N N
S
N
S
S S
N
S
N
Struttura a domini e dimensioni
biomagnetics
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,
MR/MS e HR/Hc, si sono dimostrati utili per distinguere la configurazione a domini. In
particolare un elevato rapporto MR/MS differenzia in modo netto le particelle SD rispetto
alle altre.
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 magnetocristallina 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.
Radioattività: tempo di dimezzamento
Magnetizzazione: tempo di rilassamento, t
Mt = M0 e -t /t
Domini Magnetici:
Anisotropia Magnetocristallina
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
Tempo di rilassamento della
magnetizzazione (viscosità
magnetica)
M
 M 0e
1 E1/E2
t e
C
 t
C ~ 109s-1 = tentativi al secondo –
attempt frequency (legata al moto vibrazionale)
E1=barriera di energia potenziale
E2=energia termica
La probabilità di transizione della barriera
energetica DE fra due “configurazioni” magnetiche
porta ad un tempo di rilassamento, t, per la
funzione esponenziale di decadimento della
magnetizzazione (k=Boltzmann; T=temp):
1
t  e
C
 DE 


 kT 
1
 e
C
  0VM S H K 


kT


C=109-1010 s-1 frequenza di tentativi
V=volume del dominio,
HK=Campo di anisotropia
MS= Magnetizzazione di saturazione;
MSHK = Ka (costante anisotropia)
Pochè l’energia di anisotropia (K) controlla
campo coercitivo, il tempo di rilassamento è
ad esso, oltre che funzione del volume, e
proporzionale alla temperatura (concetto
“thermal
remanent
magnetization”
e
demagnetization”).
fortemente il
proporzionale
inversamente
base per la
la
“thermal
t 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
109 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.
t = 1 G year
Relaxation time (t) / years
1E9
1E8
1E7
1E6
100000
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
1E-15
1E-16
1E-17
t = 1 M year
Ma
gn
eti
te
t = 1 year
t t 0 e
t=1s
 V Ka

 2k T



Tit
an
ohe
ma
tit
e
He
ma
tit
e
1
10
100
Particle volume (v) / nm
Volume dei grani – Domini Stabilità Magnetica
Multi Domain Grains MD
(magneticamente instabili)
Single Domain Grains SD (stabili)
Superparamagnetic Grains SP (instabili)
Dimensione grani <s>
Pseudo Single Domains Grains
PSD(stabili)
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.
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.
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.
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 500-600 °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.
• 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.
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
postdepositional detrital remanent
magnetization or pDRM. At some
depth, the grains become fixed as the
sediment loses water.
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.
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.
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” TB
Reciprocità: la pTRMs prodotta dal raffreddamento in
campo è completamente persa per smagnetizzazione,
riscaldamento a campo zero, TUB=TB
Indipendenza: la pTRMs non può influenzare effetti di
“blocking” o “unblocking” (UB) di altre pTRM, in
intervalli di TB non sovrapposti
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, Hlab,
accuratamente riprodotto in ogni esperimento - si ricava TRM.
Nel grafico che riporta NRM in funzione di TRM, la pendenza risulta
uguale al rapporto Ha/Hlab
Occorre riprodurre accuratamente T, la procedura è complessa e lunga
(per esempio si tenta di applicare le microonde per la smagnetizzazione).
Blocking Temperature
Risulta
H

N RM
H
TRM
Ha
NRM
pendenza :

TRM
H lab
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 Ha per basse ed elevate T.
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 Hlab
con la stessa costante/legge al campo geomagnetico antico Ha
Esempi di deviazione dal comportamento ottimale
dei diagrammi NRM/TRM per basse ed elevate T
ARCHEOMAGNETISMO
Magnetismo ambientale
Misure di parametri magnetici per i minerali
naturali
–concentrazione, dimensione particelle, e mineralogia
• Concentrazione: suscettività magnetica (c, k), suscettività
anisteretica (kARM), di saturazione (SIRM)
• Dimensione particella: kARM / 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
Diagrammi
Zijderveld
di
Rappresentazione
bidimensionale dei
vettori
per
la
datazione
magnetica:
Riscaldamento
smagnetizzante
T crescente
Campo Alternato
Smagnetizzante
HAC crescente
-Declinazione D ȍ
-Inclinazione I 
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
10
20
0
340
30
320
50
310
60
300
70
290
280
inclinazione
-10
0
15
60
35
270
260
110
250
120
240
130
230
140
220
160
declinazione
180
200
Frammento di tegola NRM (Ercolano)
Demagnetizzazione Termica
(0 – 570 °C)
Si osservano due componenti
della NRM
La seconda componente (250570°C) è quella originaria
della tegola, acquisita durante
la cottura dell’argilla, non più
riconducibile a una direzione
correlabile con il campo
terrestre
La prima componente (0-250 °C)
è acquisita durante l’eruzione,
dopo la distruzione dell’edificio,
allineata con NRM dei materiali
vulcanici
Mid-Ocean Ridges:
Classification
Slow (Mid-Atlantic Ridge; Rate 1-5
cm/yr) Axial zone has a well developed
median rift valley; 30-50 km wide; 1.5-3 km
deep;
rugged topography; Steep walls
Intermediate (Northern East
Pacific Rise; Rate 5-9 cm/yr) Axial
zone has a small median rift only 50-200 m
deep; smooth topography
Fast (Southern East Pacific Rise;
Rate >9 cm/yr) No median rift in axial
zone; very smooth topography
Climatic
Catastrophe