Paleomagnetismo

Che cosa è il paleomagnetismo?

Il paleomagnetismo è una disciplina che si occupa dello studio della magnetizzazione rimanente preservata dalle rocce, indotta dal campo geomagnetico esistente al momento della loro formazione. Il paleomagnetismo si basa dunque sulla misura ed analisi delle proprietà magnetiche delle rocce e sulla comprensione dei processi di acquisizione della  loro magnetizzazione “fossile” (o rimanente). In uno studio di paleomagnetismo ci si prefigge quindi di riconoscere quante componenti di magnetizzazione rimanente ci sono in una roccia, di definire la loro orientazione e di datare il momento della loro acquisizione. Questo è possibile attraverso sofisticate analisi di laboratorio e mediante specifici test di terreno.

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Stanza schermata del laboratorio di paleomagnetismo in cui vengono effettuate misure di campioni di roccia e sedimento per indagare le caratteristiche del campo magnetico terrestre nel passato

I dati paleomagnetici ottenuti permettono di stimare la direzione, l’intensità e la polarità del campo magnetico generato nel nucleo liquido della terra e i suoi cambiamenti nel corso del tempo geologico. Dall’analisi del record magnetico nelle rocce, infatti, oggi sappiamo che il campo magnetico nel passato si è invertito ripetutamente di polarità (scambiando di posizione i poli geomagnetici N e S) ed è stato soggetto a significative variazioni della sua intensità

SINT 800
Curva della variazione del campo magnetico terrestre per gli ultimi 800 mila anni (Sint-800) ridisegnata da  Guyodo e Valet (1999). Si noti come il campo ha variato la sua intensità diminuendo ed aumentando ripetutamente. La linea orizzontale tratteggiata indica il valore critico di intensità al di sotto del quale sono state osservate escursioni e intorno a 780 mila anni si ha avuto una inversione del campo magnetico che è passato da un periodo a polarità inversa Matuyama) a un periodo a polarità normale (Brunhes).

L’analisi del campo magnetico preservato nelle rocce è stata ed è una importante fonte di informazioni per capire e ricostruire l’evoluzione della Terra nel passato geologico. Il paleomagnetismo ha assunto un ruolo importante nel decifrare la storia del nostro pianeta e nel fornire le evidenze sperimentali della tettonica a placche a scala globale. I dati paleomagnetici sono stati inoltre molto importanti per comprendere problemi di geodinamica e tettonica sia a scala regionale che locale.

Nell’ambito delle Scienze della Terra infatti il paleomagnetismo viene utilizzato per condurre diversi tipi di studi volti alla ricostruzione della evoluzione e sviluppo di catene montuose arcuate (paleomagnetismo e tettonica), oppure alla ricostruzione di mappe paleogeografiche determinando la posizione nel passato delle terre emerse e ricostruire il loro percorso.

Fig.6
Cartoon che mostra come la disposizione delle terre emerse sia cambiata negli ultimi 250 milioni di anni. a) 250 milioni di anni fa le terre emerse erano unite nel supercontinente chiamato Pangea, circondato dal mare della Tetide e dall’Oceano Pantalassa. b) 180 milioni di anni fa la Pangea si divide in due continenti: Laurasia e Gondawana. c) 65 milioni di anni fa si inizia a determinare la posizione odierna dei continenti. d) Assetto attuale dei continenti.

Gli studi paleomagnetici si occupano inoltre della ricostruzione delle variazioni del campo magnetico terrestre nel corso dei tempi geologici, dello studio dell’alternanza delle polarità magnetiche in un sequenza rocciosa (magnetostratigrafia) ed ancora della ricostruzione dei cambiamenti ambientali, climatici e oceanografici occorsi nel passato geologico (magnetismo ambientale), come ad esempio l’alternarsi delle fasi di glaciazione e deglaciazione.

Perché le rocce registrano il campo magnetico terrestre?

Le rocce hanno come proprietà quella di registrare il campo magnetico terrestre perché al loro interno contengono alcuni particolari minerali ad alto contenuto in ferro che sono ferromagnetici (in senso lato). Il campo di minerali di interesse per il paleomagnetismo comprende ossidi e idrossidi di Ferro. Tra più comuni presenti nelle rocce terresti ricordiamo: Magnetite, Ematite, Maghemite, Goethite, Pirrotina e Greigite.

minerali magnetici
Esempi di minerali magnetici di interesse per le analisi paleomagnetiche
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Esempio di magnetizzazione di una roccia

Questi minerali, al momento della formazione delle rocce si comportano come gli aghi delle bussole e si orientano secondo la direzione del campo magnetico terreste, rimanendo congelati nella stessa direzione durante lo scorrere dei tempi geologici. La figura mostra un esempio: durante il Triassico Medio (235 Milioni di anni fa), una roccia al momento della sua formazione acquisisce una magnetizzazione indotta dall’azione del campo magnetico presente in quel momento (frecce rosse riquadro a). Tale magnetizzazione è mantenuta inalterata per centinaia di milioni di anni. In un’epoca successiva (riquadro b), per esempio nel Quadernario (400 mila anni fa), anche in presenza di un campo magnetico opposto la roccia mantiene la stessa magnetizzazione acquisita. Datando la roccia si è dunque in grado di risalire alle caratteristiche che il campo magnetico terrestre aveva al momento di formazione della roccia

Che cosa è il magnetismo delle rocce?

Tutte le rocce possiedono una magnetizzazione rimanente dovuta alla presenza di minerali magnetici. Ogni roccia acquisisce una magnetizzazione al momento della sua formazione detta “primaria”. Le modalità di acquisizione sono diverse per i diversi tipi di rocce, ma dipendono tutte dalla azione del campo magnetico terrestre nel corso della litogenesi.

Prendiamo il caso di rocce ignee di tipo effusivo. Quando la lava si raffredda (Fig. a), al suo interno si formano molti minerali alcuni dei quali (presenti in piccole quantità) sono dotati ferromagnetici (aghi celesti Fig. b). Questi minerali sono molto sensibili alla presenza del campo magnetico terrestre presente in quel momento (frecce verdi) e quando il processo di raffreddamento avanza fino ad arrivare ad una temperatura inferiore a quella di Curie (caratteristica di ogni minerale ferromagnetico) questi si orientano parallelamente alla direzione del campo (Fig. c). Rimangono poi immobilizzati, nella stessa direzione, all’interno della roccia consolidata conferendole una magnetizzazione permanente che rimarrà invariata nel tempo geologico.

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Disegno schematico della magnetizzazione di una roccia ignea effusiva  (ridisegnato da Tauxe, 2005).

Qualcosa di simile accade anche per le rocce sedimentarie. Come riportato in figura immaginiamo dei granuli di minerali ferromagnetici che dal fiume arrivano al mare, decantando poi verso il fondo, passando da acque turbolente a acque calme. Questi granuli posseggono un piccolo campo magnetico e, a causa dell’influenza del campo magnetico presente in quel momento (freccia verde), durante le deposizione e la compattazione del sedimento si orientano secondo la sua direzione. I granuli risultano così orientati tutti nella stessa direzione conferendo alla roccia sedimentaria una nuova magnetizzazione stabile. Questa magnetizzazione diventa stabile durante la fase di diagenesi, ovvero quando il sedimento incoerente diventa roccia.

Come posso misurare il campo magnetico nelle rocce?

Il paleomagnetista inizia in suo lavoro prelevando una serie di campioni dalle rocce affioranti sulla superficie terrestre. Il campionamento, generalmente viene effettuato con un carotatore portatile, raffreddato dalla circolazione di acqua. I campioni vengono poi orientati nel foro eseguito nella roccia ed infine rimossi e siglati. Successivamente i campioni vengono portati in laboratorio e tagliati in due cilindri gemelli (della dimensione standard di 2.5 cm di diametro per 2.2 cm di altezza). I campioni sono successivamente misurati in strumenti specifici (magnetometri) ad alta sensibilità per determinare l’orientazione (inclinazione e declinazione) e intensità della magnetizzazione rimanente, al fine di risalire alla definizione del campo magnetico terrestre presente nel passato geologico al momento della formazione della roccia.

Ogni quanto tempo il campo magnetico si è invertito nel passato?

Il campo magnetico terrestre è l’unica grandezza fisica che caratterizza il pianeta Terra che può essere studiata anche nel passato geologico. Le rocce hanno la proprietà di congelare la magnetizzazione acquisita in un momento del passato geologico ed il paleomagnetismo, che studia questa magnetizzazione “fossile”, permette di estendere nel passato le osservazioni sulle caratteristiche e variazioni del campo magnetico terrestre. Una proprietà che è stata scoperta attraverso queste osservazioni è proprio la inversione di polarità del campo geomagnetico. Tale scoperta è il risultato di molteplici osservazioni condotte su sequenze stratigrafiche esposte in superficie e caratterizzate dall’alternanza di rocce con polarità secondo la direzione del campo magnetico attuale e con polarità invertita (ovvero con il polo Nord magnetico in prossimità del polo Sud geografico, figura b). Ad oggi non sono stati compresi ancora fino in fondo i motivi per cui queste inversioni accadono ma una cosa è certa il campo magnetico nel corso del passato geologico si è ripetutamente invertito di polarità.

 

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Il campo magnetico, per l’andamento delle sue linee di flusso (linee rosse) è equiparabile al campo che verrebbe prodotto se al centro della terra fosse posta una gigantesca barra magnetica. Le mappe sono state disegnate con GMT the generic map tools (http://gmt.soest.hawaii.edu).

Un potente metodo per estendere nel tempo le analisi delle inversioni di polarità del campo magnetico è fornito dallo studio delle anomalie magnetiche dei fondali oceanici.

Fig.5
Rappresentazione delle anomalie magnetiche nei fondali oceanici che hanno confutato la teoria della tettonica a placche. 

Nella figura seguente sono rappresentazione delle anomalie magnetiche nei fondali oceanici che hanno confutato la teoria della tettonica a placche. La linea tratteggiata indica la dorsale oceanica dalla quale fuoriesce lava che raffreddandosi genera nuova crosta oceanica magnetizzata secondo la polarità del campo magnetico presente al momento della eruzione. Le anomalie positive, sono quelle rocce con una magnetizzazione come quella attuale (bande colorate); quelle negative sono rocce con magnetizzazione inversa (bande marroni). La simmetria nella distribuzione e l’ampiezza delle fasce magnetiche suggerisce che la roccia si sia formata a seguito del raffreddamento di lava fuoriuscita lungo la dorsale (linea tratteggiata), magnetizzandosi secondo il campo magnetico presente al momento della eruzione. In seguito si è allontanata parte da un lato e parte dall’altro della dorsale per il continuo riformarsi nella zona della dorsale di nuova roccia (crosta oceanica) come mostrato dal passaggio dal tempo 1 al tempo 3. Tali anomalie sono state imputate alla magnetizzazione rimanente delle rocce, magnetizzate alternativamente con polarità normale ed inversa. Tale interpretazione delle anomalie magnetiche oceaniche ha portato la conferma sperimentale dell’espansione dei fondali oceanici e ha portato alla nascita della teoria della tettonica a placche.

Gli studi paleomagnetici sia di rocce continentali che oceaniche hanno messo in evidenza che il campo magnetico terrestre si è invertito sin da epoche antichissime, con frequenza delle inversioni e durata delle polarità variabile.

Integrando i dati ottenuti dagli studi paleomagnetici con altri metodi di datazione delle rocce si è costruita una scala cronologica delle inversioni (scala magnetostratigrafica)

geologic_time_scale
Scala dei Tempi geologici (modificata da Walker, J.D. and Geismann J. W., compilers 2009, Geologica Time Scale: Geological Society of America).

La scala magnetostratigrafica come riportata nella tabella in figura è assimilabile nell’aspetto al codice a barre degli alimenti, in cui si alternano bande nere e bianche.

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Esempio di codice a barre dei cibi, al quale possiamo assimilare, per la sua alternanza di bande bianche e nere la scala magnetostratigrafica.

Le bande nere indicano periodi a polarità normale ovvero con il polo nord orientato come l’attuale, mentre le bianche periodi a polarità inversa. La scala magnetostratigrafica è suddivisa in epoche magnetiche (o Chron) all’interno di ogni epoca sono stati individuati momenti di inversione molto più brevi definiti eventi magnetici (o sub-Chron). L’epoca magnetica in cui viviamo a polarità normale e l’ultima inversione è avvenuta circa 780 mila anni fa quando si è passati da un’epoca a polarità inversa ad una a polarità normale (passaggio Brunhes-Matuyama) in cui viviamo oggi.

Il campo magnetico terrestre si sta invertendo?

Ci troviamo in un periodo di declino dell’intensità del campo magnetico terrestre ma  non possiamo affermare con certezza se o quando si verificherà la prossima inversione di polarità magnetica. Sulla base delle misurazioni del campo magnetico terrestre prese dal 1850 circa, alcuni ricercatori stimano che il momento di dipolo decadrà in circa 1.300 anni. In ogni caso, anche se il campo magnetico terrestre avesse iniziato un percorso di inversione, ci vorranno ancora diverse migliaia di anni per completarla. Durante una inversione di polarità la Terra conserverà un campo magnetico, sebbene con valori di intensità assai minori del normale e probabilmente con una configurazione più complessa di quella dipolare.