Cap. IV: Magnetismo delle rocce: origini e fenomenologia del magnetismo ambientale
1. Il magnetismo delle rocce La presenza del campo magnetico terrestre influenza da sempre i processi di magnetizzazione dei depositi di particelle contenenti minerali di ferro stratificati nelle rocce sedimentarie, delle rocce metamorfiche che si formano per eruzione sulla superficie del pianeta o sui fondali oceanici, delle particelle colloidali nei pigmenti mentre il legante si prosciuga, dei granuli di ossido di ferro presenti nei materiali ceramici durante la cottura, … Tuttavia, non solo la composizione, la geometria e la struttura delle particelle magnetizzate modificano il processo di magnetizzazione, anche le dimensioni (il volume) ha un ruolo fondamentale, stabilendo per esempio entro quali tempi (da pochi secondi a diverse ere geologiche) il materiale è in grado di “ritenere” la magnetizzazione acquisita (rimanenza MR). Questo accade perché il processo di magnetizzazione avviene in modo omogeneo su zone del materiale chiamate “domini magnetici”, correlate - ma non in modo assoluto – alla microstruttura (grani cristallini e domini magnetici coincidono in dimensioni solo in un ristretto intervallo dimensionale, dell’ordine di alcune decine di nanometri, secondo il materiale) [Fig. 11, parte III]. Ma le dimensioni delle particelle possono variare di ordini di grandezza, dai nanometri (10-9 m) ai centimetri (10-2 m), con proprietà magnetiche diverse. Occorre analizzare meglio questo aspetto.
Supponiamo che un corpo rettangolare sia magnetizzato in modo uniforme, e che perciò si comporti come un unico dominio (single domain). Poli opposti, Nord e Sud, si formeranno sulle due estremità a causa della magnetizzazione e saranno essi stessi origine secondaria di un contro-campo magnetico esterno (detto anche campo smagnetizzante) al materiale e orientato in direzione opposta al campo interno al materiale. L’energia associata con la distribuzione di questi poli di superficie è chiamata energia magnetostatica. L’energia magneto-statica può essere, approssimativamente, dimezzata se la magnetizzazione del materiale si equilibra in modo da dare origine a due domini magnetizzati in verso opposto. Questo fenomeno comporta che i poli magnetici (N) e (S) si trovano affiancati sulle estremità, portando a una diminuzione dell’estensione nello spazio del campo smagnetizzante (Fig.12).
Figura 12: Suddivisione della magnetizzazione in "domini" multipli, a causa del bilanciamento fra energia magnetostatica ed energia associata alle pareti (di Bloch) fra domini adiacenti
Questa osservazione potrebbe indurre a supporre una suddivisione in domini infinita, tuttavia il processo di suddivisione non può proseguire infinitamente poiché la regione di transizione fra i domini, chiamata
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“parete” del dominio, richiede energia per essere prodotta e mantenuta. All’equilibrio, nel materiale, si instaura una situazione stabile, con un numero di domini dipendente oltre che dalle proprietà già più volte elencate (composizione, struttura, geometria, …), anche dalle dimensioni di ogni singola particella.
Domini magnetici (single domain, pseudo-single domain, multi domain)
Possiamo dividere i materiali magnetici in quattro classi in base alle dimensioni dei grani:
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Superparamagnetici: SP. Sono instabili. I domini possono magnetizzarsi ma l’energia termica dell’ambiente è sufficiente per scombinarli. In assenza di campo la magnetizzazione è sempre zero.
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Singolo dominio: SD. Poco comune. Il dominio è uniformemente magnetizzato alla saturazione. L’unico modo per cambiare la magnetizzazione è invertirla, un processo tutt’altro che semplice energeticamente. Inoltre, un singolo dominio ha alta rimanenza e alto campo coercitivo. (Per la magnetite la transizione tra SD e MD è intorno a 80 nm, mentre per l’ematite è intorno a 15 nanom).
•
Pseudo singolo dominio: PSD. I più frequenti nel campo dei beni culturali. Sono dell’ordine dei nm-µm.
•
Multidominio: MD.
La forma di un ciclo di isteresi è determinata, in parte, dalla configurazione dei domini (Fig. 13).
Figura 13: Cicli di isteresi per cristalli di “biotite” contenenti inclusioni di magnetite. Le dimensioni delle particelle incluse variano da quelle dei materiali SP a quelle MD, passando per SD e PSD.
I cicli per materiali SD sono, di solito, più allargati dei cicli di materiali MD. Questo dipende dal fatto che nei materiali 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.
Abbiamo cominciato a comprendere che i processi di magnetizzazione sono legati alla energia immagazzinata nei materiali. 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
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relazione con il volume e l’energia termica delle particelle magnetiche. Esiste nei materiali magnetici una componente di energia detta “Energia di anisotropia magnetica”, essa corrisponde all’energia necessaria per spostare la magnetizzazione dall’asse preferenziale presente nel cristallo. A sua volta consta di contributi diversi:
1) Anisotropia cristallina. Caratteristica intrinseca dei materiali ferrimagnetici non dipendente dalla dimensione dei grani. A seconda della direzione cristallografica, il materiale ha più o meno difficoltà a magnetizzarsi. L’anisotropia magnetica cristallina rappresenta l’energia necessaria a spostare il momento magnetico in singolo cristallo dalla direzione più semplice a quella più difficile. I materiali a reticolo cristallino esagonale, come l’ematite, mostrano difficoltà nel raggiungere la saturazione, anche applicando campi molto elevati (1, 2 Tesla) in laboratorio. Questa difficoltà a raggiungere la saturazione da parte dei materiali a reticolo esagonale è utilizzata per distinguere l’ematite (esagonale) dalla magnetite (cubica). 2) Anisotropia di forma. Dipende dalla forma dei grani del minerale. Un corpo magnetizzato produce alle sue estremità poli magnetici i quali, in genere, creano un controcampo esterno con verso opposto alla magnetizzazione interna del corpo (per questo si parla di campi o energia di smagnetizzazione). Questo tipo di anisotropia non esiste in particelle sferiche. 3) Anisotropia da stress meccanico. Deformazioni indotte nel cristallo modificano la direzione del vettore magnetizzazione. Come l’anisotropia cristallina, dipende dalla temperatura.
Ora, a seconda delle dimensioni dei grani, si possono osservare diversi comportamenti magnetici dei materiali per le correlazioni fra i diversi contributi energetici (anisotropia, energia di scambio ferromagnetico) e la microstruttura (reticolo, dimensioni, geometria). La Fig. 14 mostra la variazione del campo coercitivo in funzione delle dimensioni delle particelle per la magnetite e l’ematite.
Fig. 14: Valore del campo coercitivo in funzione della dimensione dei grani. Il massimo valore del campo coercitivo si ha entro l’intervallo SD. Per grani di dimensioni più grandi, il campo coercitivo diminuisce, in relazione all’aumento dei domini all’interno dei grani; per grani più piccoli, Hc diminuisce di nuovo, ma in questo caso per l’effetto di disordine causato dell’energia termica. Esiste per ogni materiale una dimensione critica dei grani al di sotto della quale ogni particella si comporta come un singolo dominio. Tali grani alla magnetizzazione di saturazione sono uniformemente
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magnetizzati. La dimensione critica dipende da diversi fattori intrinseci, come la magnetizzazione di saturazione e l’anisotropia magnetocristallina, e fattori estrinseci come la forma dei grani. L’inversione della magnetizzazione nei grani SD è un processo che richiede alti valori di energia magnetica, in taluni le energie soli da garantire la permanente magnetizzazione della particella praticamente per un tempo infinito (ere geologiche) si veda la figura 17. Per cambiare la magnetizzazione di grani MD, invece, sono sufficienti bassi valori del campo applicato: essi, infatti, presentano bassi valori sia del campo coercitivo che della rimanenza. Quando piccoli grani MD (bassa campo coercitivo) esibiscono anche un comportamento SD (alta rimanenza) si ha un comportamento
definito
pseudo-singolo
dominio
(PSD).
Per
la
magnetite,
l’importanza
del
comportamento PSD è dovuto al fatto che l’intervallo della taglia, tra 0.1-20 µm, copre le dimensioni dei grani che generalmente si trovano nei campioni naturali. L’ematite mostra una risposta SD o PSD nella maggior parte delle rocce a causa della forte anisotropia magnetocristallina dovuta alla struttura esagonale della cella elementare. Le dimensioni delle particelle possono ridursi entro l’intervallo SD sino al raggiungimento di un limite critico inferiore oltre il quale la rimanenza e il campo coercitivo della particella vanno a zero a temperatura ambiente. Quando questo avviene, i grani diventano superparamagnetici. Una particella SD di volume v ha una magnetizzazione uniforme diretta lungo gli assi di facile magnetizzazione. Se v è sufficientemente piccolo (o la temperatura abbastanza elevata), l’energia termica (kT) è sufficiente per sovrastare l’effetto dell’energia di anisotropia, che tende a separare gli stati di magnetizzazione positivi e negativi, causando una magnetizzazione spontanea e reversibile. Si parla in queste condizioni di comportamento
superparamagnetico
(SPM).
Per
le
particelle
superparamagnetiche,
il
momento
magnetico a campo nullo, sarà in media 0. Applicando un campo, si ha un allineamento dei momenti magnetici
che
può
scomparire
all’annullarsi
del
campo.
Questo
comportamento
è
analogo
al
paramagnetismo, eccetto che il momento magnetico da considerare non è quello relativo ad ogni singolo atomo, ma quello di una particella SD che contiene, in media, 105 atomi. Per questo motivo i materiali superparamagnetici hanno un valore di suscettività superiore rispetto a quelli paramagnetici. Proprietà isteretiche di particelle SP, SD, PSD, e MD La forma di un ciclo di isteresi in parte è determinata dal tipo di dominio presente nei materiali analizzati. I cicli dei materiali SD sono tipicamente più larghi di quelli MD in quanto riflettono gli alti valori della rimanenza e del campo coercitivo. I parametri del ciclo d’isteresi e, in particolare, il rapporto Mr/Ms e Hr/Hc, sono utilizzati per distinguere il tipo di dominio: il rapporto
Mr/Ms è un modo definitivo per
differenziare particelle SD e MD (si veda Fig. 12). Per i grani SD il valore del rapporto Mr/Ms può essere facilmente calcolato e dipende dal tipo di anisotropia. Per le particelle PSD e MD, il calcolo del rapporto Mr/Ms risulta molto più complesso.
Fig. 15: Diagramma Mr/Ms vs Hr/Hc che consente di determinare il tipo di domini presenti nei grani.
Mr/Ms
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Le particelle SPM non esibiscono alcuna rimanenza né campo coercitivo. La forma del ciclo di isteresi è per questo motivo estremamente lineare. I grani SPM mostrano inizialmente un rapido aumento della magnetizzazione in funzione del campo applicato; in seguito al crescere del valore di campo, l’aumento della magnetizzazione è più graduale sino alla saturazione. Infatti, la distribuzione dei grani SD, PSD o MD è fondamentale per gli studi di datazione magnetica. La longevità della memoria magnetica dipende dall’effettiva dimensione dei grani dei minerali ferromagnetici: piccoli grani SD hanno capacità di ritenere una memoria magnetica per milioni di anni (Fig.17); per grani di dimensioni più grandi (MD o PSD), quando è energicamente più efficiente per la stabilità interna la divisione in sub-domini con direzione di magnetizzazione differente, la capacità di memoria magnetica è meno duratura. Generalmente, grani di magnetite SD hanno dimensioni inferiori a un micrometro a differenza di quelli MD che superano i 100 micrometri. L’ematite, per le proprietà magnetiche intrinseche, mostra con frequenza una risposta SD. Il rapporto magnetizzazione di rimanenza/saturazione aumenta per i grani di ossidi ferrimagnetici nella sequenza: particelle multidomino (per Fe3O4> 20 micrometri), pseudo singolo dominio, singolo dominio (per Fe3O4 0.03 - 0.04 micrometri). I grani con dimensioni entro limiti MD-SD, hanno un valore del rapporto magnetizzazione di rimanenza/saturazione intermedio (particelle PSD). Il campo coercitivo Hc è relativamente basso per MD e generalmente cresce con il diminuire delle dimensioni dei grani sino a SD. Il rapporto Hc/Hmax aumenta nella sequenza SD, PSD, MD. La separazione dei grani SPM da quelli MD, basata sulle proprietà isteretiche, può essere un problema quando si effettuano misure solo a temperatura ambiente. In alcuni casi può essere utile raffreddare i campioni a temperature molto inferiori a 0 °C, per differenziare i due comportamenti. I grani SPM a temperatura ambiente, possono diventare SD a basse temperature ottenendo significativi cambiamenti nei parametri dei cicli. Effettuare misure a temperature diverse evidenzia il contributo SPM (Fig. 13).
a
b
Fig. 16: cicli di isteresi ottenuti a temperature diverse (a, 300 K; b, 50 K) che evidenziano come il comportamento superparamagnetico di un materiale (a) a temperatura ambiente si trasformi in ferrimagnetico a temperature più basse.
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Rilassamento (o viscosità) magnetica e comportamento superparamagnetico
I fondamenti del paleomagnetismo e dell’archeomagnetismo sono meglio comprensibili se ci si rimanda al concetto di viscosità magnetica, ossia alla variazione della magnetizzazione nel tempo a temperatura costante.
Consideriamo un blocco di materiale contenente un insieme di particelle magnetiche SD orientate casualmente e non-interagenti. Supponiamo
che
ogni
particella
abbia
un
solo
asse
di
facile
magnetizzazione e che la magnetizzazione possa dunque orientarsi solo lungo i due versi nella direzione dell’asse. Occasionalmente, ogni particella può ricevere energia termica sufficiente per superare l’energia
di
anisotropia
associata
con
la
direzione
di
difficile
magnetizzazione e rovesciare il proprio verso di magnetizzazione. In assenza di campo, i momenti tenderanno a diventare orientati casualmente e qualunque vettore di magnetizzazione iniziale decadrà secondo un fattore esponenziale.
M t = M 0 e − t /τ M0 è la magnetizzazione iniziale, t il tempo e τ una costante empirica detta “tempo di rilassamento” che corrisponde al tempo necessario perché la rimanenza complessiva del sistema decada di un fattore 1/e rispetto al valore iniziale. Il valore di τ dipende dalla competizione fra l’energia di anisotropia e l’energia termica ed è un parametro che indica la probabilità di un grano di avere energia sufficiente per superare l’energia di anisotropia e rovesciare il proprio momento magnetico. Poiché l’energia di anisotropia controlla fortemente il campo coercitivo (HC), il tempo di rilassamento è anche proporzionale ad esso (HC), oltre che funzione del volume e inversamente proporzionale alla temperatura.
Il termine τ è definito come:
τ =
1 E 1 /E 2 e C
[C ~ 109 s-1 = tentativi al secondo – attempt frequency (legata al moto vibrazionale); E1=barriera di energia potenziale; E2=energia termica ]
Al variare della temperatura l’energia termica del sistema cambia e
varia rapidamente. La probabilità
di transizione della barriera energetica ∆E fra due “configurazioni” magnetiche porta ad un tempo di rilassamento, τ, per la funzione esponenziale di decadimento della magnetizzazione (k=Boltzmann; T= temperatura):
[Dove C=109-1010 s-1 frequenza di tentativi; V = volume del dominio; HK=Campo di anisotropia; MS= Magnetizzazione di saturazione; MSHK = Ka (costante anisotropia) ]
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Per piccole variazioni di questi parametri (C, V, HK, MS …) vi è una transizione netta fra grani praticamente instabili (tempo di rilassamento = 0) e grani fortemente stabili (tempo di rilassamento di 109 anni) (Fig.14) .
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
Relaxation time (τ) / years
τ = 1 G year τ = 1 M year
Ma gn eti te
τ = 1 year
Tit an o-h em ati te
τ=1s
He ma tit e
1
10
100
Particle volume (v) / nm Figura 17: Tempo di rilassamento in funzione del volume per particelle di ossidi di ferro di diversa natura Grani molto piccoli (v < 10 nm), con τ = 102-103 secondi hanno energia termica sufficiente per superare l’energia di anisotropia frequentemente e sono stabili solo per gli esperimenti di laboratorio. In assenza di campo, questi grani tenderanno ad allineare la magnetizzazione casualmente; in presenza di campo, tenderanno ad allinearsi ad esso. Poiché seguono il campo ma diventano liberi in sua assenza, e un tale comportamento è simile a quello dei paramagneti questi grani sono chiamati superparamagneti.
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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.
Temperatura di bloccaggio (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 raffredda 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.
Processi come quello sopra descritto sono detti processi di Magnetizzazione naturale primaria. 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. In seguito, 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. 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
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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 poiché 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.
• La Magnetizzazione Rimanente Viscosa (VRM) è una componente 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. CRM. Le alterazioni chimiche, quali ossidazione a bassa temperatura o disidratazione o dissoluzione, possono causare una magnetizzazione. Ad esempio, con il percolamento dell’acqua sulle rocce calcaree inizia la precipitazione di minerali magnetici come l’ematite. Ogni cristallo è completamente isolato dagli altri. Mantenendo costante la temperatura, è possibile individuare un volume critico sotto al quale il grano mantiene l’equilibrio in presenza di campo. 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.
• 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.
Le diverse componenti magnetiche a temperatura ambiente si sommano assieme a costituire la magnetizzazione rimanente naturale (NRM) che è la rimanenza emergente. L’obiettivo di analisi dei
laboratori archeo e paleo-magnetici consiste nell’isolare le diverse componenti della NRM e definirne origine, età e attendibilità. Dalle precedenti osservazioni, possiamo arrivare a definire il comportamento della TRM:
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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 (Rimanenza magnetica naturale parziale). 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” (leggi d iThellier). 5. I risultati sperimentali confortano queste affermazioni teoriche, anche se il contributo dei grani multidominio complica il quadro e occorrono alcune precisazioni concettuali per comprendere la variazione della configurazione magnetica.
Per esempio, consideriamo un flusso di lava appena fuoriuscita. 1. La lava raffreddando 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 raffredda 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 quelle che presentano l’angolo minimo di deviazione rispetto al campo applicato.
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”, o temperatura di bloccaggio, al di sotto della quale i momenti magnetici sono fissi e protetti da ulteriori possibili variazioni dovute ai campi magnetici ambientali.
Analisi della NRM: Leggi di Thellier: Additività, Reciprocità e Iindependenza della partial TRM Additività: la p-TRM prodotta in intervalli di T adiacenti equivale alla TRM prodotta sull’intero intervallo considerato, ovvero grani SD hanno distinte “blocking temperatures” (TB) Reciprocità: la p-TRM prodotta dal raffreddamento sotto campo magnetico in un definito intervallo di T è completamente persa per smagnetizzazione (riscaldamento a campo zero) nello stesso intervallo T, ovvero TUB=TB; T di bloccaggio (unblocking) = T di bloccaggio (blocking).
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Indipendenza: la p-TRM di un certo intervallo di T non può influenzare effetti di “blocking” (B) o “unblocking” (UB) di altre p-TRM, in intervalli di T non sovrapposti.
Procedura: Per l’analisi, il campione viene prima scaldato e poi raffreddato dapprima in assenza di campo, schermando anche quello terrestre. Si ricava in questo modo il valore di NRM per temperature via, via crescenti. Successivamente si ripetono i trattamenti termici con l’applicazione di un campo a valore noto, Hlab, accuratamente riprodotto in ogni esperimento e si ricava il valore di TRM di nuovo per ogni temperatura via, via crescente. Nel grafico (Fig. 18) che riporta NRM in funzione di TRM, la pendenza risulta uguale al rapporto Ha/Hlab.
Figura 18: (sinistra) Variazione della NRM e della TRM in funzione delle temperature applicate nel processo di smagnetizzazione progressiva (NRM) e di magnetizzazione progressiva (TRM). (destra) Variazione della NRM in funzione della TRM acquisita per ogni valore di temperatura analizzato: la pendenza della retta NRM/TRM equivale al rapporto Hlab/Hn (laboratorio/naturale)
Ipotizzando di aver applicato un campo H sufficientemente piccolo da mantenere la fenomenologia nella zona iniziale, di linearità del ciclo di isteresi (Rayleigh), vale in entrambi i casi di riscaldamento senza e con campo il rapporto: M = α H . Risulta pertanto che:
M lab = α H lab
M n = α Hn
corrisponde alla TRM acquisita in laboratorio
corrispondente alla NRM acquisita in natura.
Eguagliando il termine di proporzionalità “α” fra le due equazioni sopra riportate, risulterà:
M lab H lab = Mn Hn e, come conseguenza è possibile ricavare Hn (Fig. 15 destra),
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H n=
NMR H lab TRM
cioè il valore del campo naturale esistente al momento dell’induzione della rimanenza magnetica naturale. Esistono in realtà diversi metodi per effettuare una pulizia magnetica o demagnetizzazione. I più applicati sono i seguenti, anche se sta sempre più prendendo piede la smagnetizzazione in forno a microonde per questioni di rapidità:
•
Smagnetizzazione termica. Il campione viene ricotto in un campo zero a temperature via via crescenti. Dopo ogni “cottura” viene misurata la rimanenza magnetica. Ad ogni passaggio di T, solo i grani con blocking temperature inferiore alla temperatura di smagnetizzazione applicata, risultano smagnetizzati.
•
Smagnetizzazione in campo alternato. Il campione è sottoposto ad un campo alternato progressivamente ridotto a zero. La curva di smagnetizzazione è ottenuta esponendo il campione ad una serie crescente di valori di campo. Dopo ogni passaggio si misura la rimanenza magnetica.
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