The Rock Magnetic Bestiary
(http://www.irm.umn.edu/bestiary/index.html)
African Rock Art
Magnetite ore, Kachkanar Area, North Urals
Magnetic Behaviours
Diamagnetismo: opposizione al campo applicato, causata dalle
interazioni della “nuvola” elettronica. Caratteristica di tutti i
materiali – risposta molto debole (suscettività, c = negativa).
Paramagnetismo: risposta lineare rispetto al campo applicato, ma
con scomparsa della magnetizzazione quando il campo è rimosso.
Caratteristica dei minerali di Fe, Mn, Co, Ni. (c= positiva, debole).
Ferromagnetismo: allineamento completo dei momenti magnetici.
Tipico dei metalli ferrosi e di alcuni acciai. (c= positiva, forte )
Ferrimagnetismo: allineamento antiparallelo dei momenti magnetici
con diversa intensità, dovuto all successione di ioni ferrici e ferrosi
nel reticolo cristallino, come nella magnetite. (c= positiva, forte ).
Anti-ferromagnetismo: simile al ferrimagnetismo, ma le
magnetizzazioni antiparallele sono identiche. Applicando il campo,
emergono strutture magnetiche distorte (inclinate) (es. ematite).
Input
Storage
Registrazione
Output
La lista dei minerali di interesse per la geofisica è
ricca di alcune migliaia di sostanze, a queste
appartengono a pieno titolo i bio-minerali, prodotti
dagli organismi viventi per la costruzione di parti
del loro corpo (conchiglie, coralli, …).
Fra tutti i minerali solo alcuni possiedono le
proprietà magnetiche che stiamo analizzando,
tuttavia occorre considerare che le particelle
magnetiche ultrafini sono praticamente ubiquitarie.
Table 2. Estimated Abundance of Elements (in relative atomic %)
Earth
Oxygen
Earth's crust
Earth's Atmosphere
50
Oxygen
47
Nitrogen
78
17
Silicon
28
Oxygen
21
Silicon
14
Aluminium
8.1
Argon
0.93
Magnesium
(Mg)
14
5.0
Carbon
0.03
Sulphur
1.6
Calcium
3.6
Neon
0.0018
Nickel
1.1
Sodium (Na)
2.8
Helium
0.00052
Aluminium
1.1
Potassium
2.6
Iron
Iron
Ossidi, Idrossidi e Ossoidrossidi
I termini “ossidi idrati” si riferiscono a tutti gli ossidi [MOx], idrossidi
[M(OH)x] e ossoidrossidi [MOx(OH)y] di un metalllo, M. Altri termini
che possono essere utilizzati sono ossidi idratati, ossidi-idrossidi e
sesquiossidi.
Gli (idr)ossidi sono sostanze comuni, cristalline e non-cristalline,
principalmente contenute nei terreni (suoli). Generalmente,
attraverso i processi di degrado naturale, essi si sono formati a
partire da silicati primari or secondari e sono fra I più stabili minerali
disponibili nei terreni secchi e ben aereati. Gli idrossidi e gli
ossoidrossidi di Al, Fe e Mn mostrano tutti polimorfismo. Le
condizioni chimiche e fisiche del suolo e dell’ambiente determinano
quale sia la fase predominante. La sostituzione isomorfa è un
processo comune negli (idr)ossidi, ma solo fino a un certo punto.
Deboli cariche permanenti sono state associate agli (idr)ossidi, anche
se difficili da determinare a causa delle (solitamente) ridotte
Pirite: ferrimagnetica dopo cottura
FeS2
• Negli studi magnetici della Terra, ci si interessa di
solito principalmente dei minerali ferrimagnetici
(magnetite e maghemite) o delle fasi antiferromagnetiche (hematite, pirrotite), anche se
solitamente i minerali paramagnetici possono essere
molto importanti per gli studi, soprattutto se presenti
in quantità abbondante.
Magnetite
La Magnetite, Fe3O4, cristallizza con struttura a “spinello”. Gli
atomi di ossigeno, più grandi, sono impacchettati in un reticolo
cubico, nel quale gli atomi di ferro, più piccoli, riempiono gli
interstizi.
3/4 mono-strati di Fe in
posizione
tetraedrica
(grigio
chiaro)
o
ottaedrica (grigio scuro).
MAGNETITE
-
FeO ·Fe2O3 – Fe2+ 2Fe3+ ·O4
Nelle ferriti le posizioni interstiziali, occupate dagli atomi di ferro (o
metallici) sono di due tipi:
tetrahedral site (A): lo ione Fe è circondato da quattro atomi di
ossigeno
octahedral site (B): lo ione Fe è circondato da sei atomi di ossigeno
A
A
A
B
B
B
Gli spin (momenti magnetici) del
sottoreticolo A (Fe2+ tetraedrico) sono
antiparalleli agli spin del sottoreticolo B
(Fe3+ ottaedrico).
I diversi “siti” del cristallo comportano
proprietà molto diverse che risultano in
complesse interazioni fra ioni ferro
giacenti su uno stesso o su diversi piani:
gli spin dei sottoreticoli A e B non sono
equivalenti, non si compensano e
creano un momento magnetico.
B
Anche se l’ordinamento è differente, il
Ferrimagnetismo mostra le stesse
caratteristiche del comportamento
ferromagnetico:
magnetizzazione
spontanea, Temperatura di Curie,
Isteresi, rimanenza.
La Magnetite è un minerale ferrimagnetico molto noto. Tuttavia, fu
considerata un ferromagnete finché Néel attorno al 1940, non fornì un
modello teorico per spiegare il ferrimagnetismo.
Transizione di Verwey nella Magnetite
A circa - 150 °C ( 123 K) il reticolo
da Cubico passa a  Monocline
Dipendenza dalla temperatura del
calore
specifico
(Cp),
della
resistenza elettrica (R) e della
suscettività (c) della magnetite nella
regione della transizione di fase.
Ematite ( a-Fe2O3)
Ematite (Antiferromagnetica)
Se i due sottoreticoli A e B hanno momenti
esattamente uguali ma opposti di segno, il
momento netto risultante è zero. Questa
forma di ordinamento magnetico è detta
antiferromagnetismo.
Antiferromagnetico …
… ma se applichiamo H
H
0.6
Hematite (J x 0.1)
0.4
Morellone
J (emu/g)
0.2
Rosso di Marte
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
H (Oersted)
VSM hysteresis curves obtained, on three different Hematite-based red powder pigments. Samples
amounts were in the order of 100 mg. The observed magnetic behaviours can be modeled as the sum
of the contributes of different paramagnetic phases, thorugh Langevin equations. (The Hematite
Intrinsic Induction values have been reduced - J x 0.1 - to permit comparison).
La peculiarità dello
antiferromagnetismo
è il comportamento
della suscettività al di
sopra di una
temperatura critica,
detta temperatura di
Néel (TN).
Sopra TN, la
suscettività obbedisce
alla legge di CurieWeiss per i materiali
paramagnetici ma
con un’intercetta
negativa, segno di
un’interazione di
scambio sfavorevole.
Maghemite (g-Fe2O3)
Si forma per azione
dell’ambiente o per
ossidazione a bassa
temperatura di spinels
contenenti composti
ferrosi, tipicamente
magnetite or titanomagnetite.
È un pigmento giallo
molto diffuso nei
sedimenti e nel suolo.
Materiale delle cassette di registrazione magnetica
video/audio
Possiamo immaginare la maghemite come la
forma completamente ossidata della magnetite:
(3)
Fe3 O4
L’eccesso di carica è compensato dalla presenza
di “vacanze” nella struttura, in rapporto 1:8
con gli atomi di Fe3+.
Fortemente magnetica, è una fase metastabile,
si riduce in natura ad ematite (Tc ~ 645 °C)
Una forma di ossido di ferro, anche conosciuta
come g-Fe2O3, con la struttura cristallina (e una
natura fortemente magnetica) della magnetite,
ma con la composizione
dell’ematite.
MAGHEMITE
Sulla Terra, si trova solitamente in regioni con
attività idrotermica (o magnetica), con
temperature che variano fra 300 e 400°C. La
grande abbondanza d’acqua sulla terra ha
trasformato la maggior parte della maghemite
nella forma non reattiva, ma in ambienti inertio
(su Marte) si trova virtualmente inalterata.
Goethite: a-FeOOH
Ossoidrossido: Goethite.
If the hematite formed under
wet conditions, one may find
Goethite also.
Siderite: FeCO3
(Paramagnetica)
Ossidandosi forma ossidi stabili.
Questa trasformazione da origine
al fenomeno della CRM, o
Chemical remanent magnetization
Ambienti Archeologici
Profilo del terreno
nell’area D di uno scavo
ad Al-Mudaybi’.
Notate la colorazione
scura nella parte bassa;
questo era il livello della
superficie nel 700 A.C.
circa.
Eugène La Borge: la
suscettività magnetica
del suolo è più elevata
nella zona superiore,
indipendentemente dalla
tipologia.
Aerobico
a-Fe2O3
g-Fe2O3
Anaerobico
Fe3O4
Alterazioni Mineralogiche
Ossidazione della Titanomagnetite – High TC = Stability
TC aumenta dopo “cottura” = Alterazione
In generale, in aumento della magnetizzazione del suolo come
conseguenza del riscaldamento/cottura è un dato costante.
È possibile individuare le variazioni chimiche e fisiche provocate
nelle rocce da processi di cottura/ossidazione misurando alcune
proprietà soggette facilmente ad alterazione
Per esempio: batteri magnetotattici producono microcristalli di
magnetite come prodotti di fermentazione (pali, buche,
costruzioni in legno/sost organico).
Le antiche zone di sepoltura corrispondono ad ambienti
ossidanti, maggiormente magnetici rispetto al loro intorno.
Titanomagnetite - Fe3-xTixO4
Titanoematite – Fe2-xTixO3
Diagramma ternario
per il sistema Fe-Ti-O
I processi di
ossidazione spostano
gli equilibri dei
composti dalla serie
Titano-magnetite alla
serie Titano-ematite
Per le rocce magmatiche, col tempo i processi
ossidativi nelle parti interne della roccia, non
esposte all’ambiente, provocano variazioni
della struttura e della composizione chimica
Maghemizzazione della titanomagnetite
(basalto oceanico)
Z
Z 2
3
2
Fe  O  ZFe  (1  Z ) Fe  O
2
2
2
~ 106 Years
Titanomagnetite – Titanoematite
Fe3-xTixO4 --> Fe2-xTixO3
Alla variazione
chimico-strutturale
nel tempo
corrisponde una
variazione della
magnetizzazione
Arte Rupestre
(10/20 000 anni)
For millennia,
humans have
beautified their
world and
expressed their
thoughts by
painting. Over the
years, paintings
have been made
on virtually every
imaginable
surface.
The common characteristic is that paint consists of ground up
pigment in some sort of liquid. When the liquid dries into a film,
the ground pigment is stuck to the painting surface. The first paintings
were cave paintings.
Le antiche popolazioni decoravano le pareti delle caverne che abitavano con
colori fatti di terra, o carbone mescolato con saliva o grassi animali.
Nell’arte rupestre i pigmenti (nero carbone o ocra) aderivano alla parete in
parte per le porosità che lo intrappolavano, in parte perché il legante
seccando, permetteva al pigmento di aderire alla superficie.
Negli anni, in numerose caverne scoperte dagli archeologi si sono trovati
corpi coperti di pigmento rosso con residui di pigmento seppelliti assieme. Il
rosso, associato al sangue, era (è) il colore simbolo della vita, ma anche
della sua fine. La parola ematite (fonte di molti pigmenti) deriva dal greco,
hema che significa sangue.
I pigmenti di ossido di ferro costituivano la tavolozza degli antichi artigiani,
dall’Egitto all’India alla China. I Micenei, cui si attribuisce l’invenzione
dell’affresco, mescolavano i loro pigmenti con l’acqua e li applicavano i
superfici di calce fresca. la tecnica, richiedeva pigmenti che potessero
aderire permanentemente alla calce. Gli ossidi di ferro non attaccabili dagli
alcali, sono stati la base dei colori per affresco dai Micenei al presente.
Arte rupestre, murali, pitture
Ematite
carbone
ocra
Ematite nativa o goethite ricotta
Il pigmento rosso nel paleolitico poteva essere
ottenuto direttamente dall’ematite o trattando a
bassa T (250 – 400 °C) la goethite.
Fe – OH
||
O
Fe – O – Fe
||
||
O
O
Ricordiamo che i processi di trattamento termico
alterano la distribuzione e le dimensioni dei granuli di
ossido.
Goethite sintetica
Goethite cotta a 250 °C
Goethite cotta a 1000 °C
Le tecniche di diffrazione di raggi-X evidenziano una
diversa granulometria nei campioni di goethite ricotti, con
allargamento dei picchi di diffrazione per T fino a 500 °C.
Analogamente sono attese variazioni delle proprietà
magnetiche estrinseche (forma dei cicli di isteresi)
Goethite ricotta o Ematite nativa
Attraverso considerazioni che possono includere anche
le proprietà magnetiche è possibile arrivare ad
identificare se il materiale di origine del pigmento rosso
era ematite, direttamente, o goethite