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The Rock Magnetic Bestiary ( http://www.irm.umn.edu/bestiary/index.html ). Magnetite ore, Kachkanar Area, North Urals. African Rock Art.

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Presentation Transcript
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The Rock Magnetic Bestiary

(http://www.irm.umn.edu/bestiary/index.html)

Magnetite ore, Kachkanar Area, North Urals

African Rock Art

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: rispostalineare 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: allineamentoantiparallelo 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).

Magnetic Behaviours
slide4

Storage

Registrazione

Input

Output

slide5

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.

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Table 2. Estimated Abundance of Elements (in relative atomic %)

Earth

Earth's crust

Earth's Atmosphere

Oxygen

50

Oxygen

47

Nitrogen

78

Iron

17

Silicon

28

Oxygen

21

Silicon

14

Aluminium

8.1

Argon

0.93

Magnesium (Mg)

14

Iron

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

Universe

Sun

Humans

Hydrogen

92.47

Hydrogen

90.99

Hydrogen

61

Helium

7.40

Helium

8.87

Oxygen

26

Oxygen

0.06

Oxygen

0.078

Carbon

10.5

Carbon

0.03

Carbon

0.033

Nitrogen

2.4

Nitrogen

0.01

Neon

0.011

Calcium

0.23

Neon

0.01

Nitrogen

0.010

Phosphorus

0.13

Others

0.01

Magnesium

0.004

Sulphur

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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 dimensioni delle strutture cristalline.

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FeS2

Pirite: ferrimagnetica dopo cottura

  • Negli studi magnetici della Terra, ci si interessa di solito principalmente dei minerali ferrimagnetici (magnetite e maghemite) o delle fasi anti-ferromagnetiche (hematite, pirrotite), anche se solitamente i minerali paramagnetici possono essere molto importanti per gli studi, soprattutto se presenti in quantità abbondante.
magnetite
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).

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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

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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.

Anche se l’ordinamento è differente, il Ferrimagnetismo mostra le stesse caratteristiche del comportamento ferromagnetico: magnetizzazione spontanea, Temperatura di Curie, Isteresi, rimanenza.

B

A

B

A

B

A

B

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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.

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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 antiferromagnetica
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.

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H

Antiferromagnetico…

… ma se applichiamo H

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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).

slide21

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 Curie-Weiss per i materiali paramagnetici ma con un’intercetta negativa, segno di un’interazione di scambio sfavorevole.

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Maghemite(g-Fe2O3)

Si forma per azione dell’ambiente o per ossidazione a bassa temperatura di spinels contenenti composti ferrosi, tipicamente magnetite or titano- magnetite.

È un pigmento giallo molto diffuso nei sedimenti e nel suolo.

Materiale delle cassette di registrazione magnetica video/audio

slide24

Possiamo immaginare la maghemite come la forma completamente ossidata della magnetite:

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)

slide25

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.

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Goethite: a-FeOOH

Ossoidrossido: Goethite.

If the hematite formed under wet conditions, one may find Goethite also.

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Siderite: FeCO3

(Paramagnetica)

Ossidandosi forma ossidi stabili.

Questa trasformazione da origine al fenomeno della CRM, o

Chemical remanent magnetization

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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.

Ambienti Archeologici

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Aerobico

g-Fe2O3

a-Fe2O3

Fe3O4

Anaerobico

alterazioni mineralogiche
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.

slide35

Titanomagnetite - Fe3-xTixO4

Titanoematite – Fe2-xTixO3

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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

ossidazione

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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)

~ 106 Years

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Titanomagnetite – Titanoematite

  • Fe3-xTixO4-->Fe2-xTixO3
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Alla variazione chimico-strutturale nel tempo

corrisponde una variazione della magnetizzazione

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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.

slide44

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.

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Ematite

carbone

ocra

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Fe – OH

||

O

Fe – O – Fe

|| ||

O O

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.

Ricordiamo che i processi di trattamento termico alterano la distribuzione e le dimensioni dei granuli di ossido.

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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)

slide51

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