O que é o Paleomagnetismo?
Paleomagnetismo é o estudo da evolução do campo magnético e da polaridade da Terra ao longo de períodos geológicos passados. De acordo com registros de minerais ferromagnéticos contidos em rochas , o estudo do magnetismo antigo, denominado paleomagnetismo ou magnetismo fóssil, é uma importante ferramenta para o estudo da história da Terra. Os cientistas coletam amostras de rochas em todos os continentes e determinam sua idade e magnetismo para reconstruir a história do campo magnético da Terra.
No início dos anos 1960, um cientista australiano descobriu um acampamento muito antigo onde os aborígenes cozinhavam. A pedra é magnetizada. Ele removeu cuidadosamente algumas das pedras carbonizadas e verificou cuidadosamente sua orientação. Quando ele determinou a direção da magnetização da pedra, descobriu que era exatamente o oposto da direção do campo magnético da Terra. Ele admite que quando o campo foi ocupado há cerca de 30.000 anos, o campo magnético da Terra era oposto ao que é agora, então a agulha magnética indicaria o norte magnético, que é geograficamente ao sul.
Os cientistas descobriram como determinar a direção do campo magnético da Terra no passado distante, não centenas, mas milhões de anos atrás, antes que seus instrumentos o registrassem. Uma propriedade importante dos materiais que são magnetizáveis em temperaturas muito altas é que quando sua temperatura cai abaixo de 500°C, quando o material está muito quente, eles ficam magnetizados na direção do campo magnético da Terra. Uma vez que o material esfria, esses átomos permanecem no lugar e sempre mantêm sua magnetização na mesma direção. Isso é chamado de remanência térmica porque a rocha “lembra” a magnetização mesmo depois que o campo magnético se foi.
O mesmo vale para os vulcões. Imagine um vulcão que entrou em erupção há 100 milhões de anos. À medida que a lava solidificou e esfriou, tornou-se magnetizada, formando um registro permanente do campo geomagnético no meio do Cretáceo, muito parecido com o registro fóssil da vida antiga. Algumas rochas sedimentares também podem não apresentar magnetismo residual. As rochas sedimentares são compostas por grãos de sedimentos depositados no fundo do mar e petrificados. Partículas magnéticas como partículas de magnetita podem se alinhar na direção de um campo magnético existente quando transportadas em suspensão pela água, e essa orientação pode ser incorporada nas rochas quando as partículas petrificam. Seus minúsculos ímãs são orientados na direção do campo magnético principal à medida que são depositados.
A rocha magnetizada mais antiga já encontrada mostra que o campo magnético da Terra não era diferente há 3,5 bilhões de anos do que é hoje. Nos últimos 65 milhões de anos, os pólos magnéticos da Terra se inverteram 130 vezes.
A direção do campo magnético da Terra é chamada de normal hoje, e quando inverte, é chamada de inversão.
No mundo
O conhecimento que envolve o paleomagnetismo é o campo mais antigo da geofísica, então há mais de 300 anos os humanos sabem que a Terra é um grande ímã. Cientistas como Sir William Gilbert, Gauss e von Reid foram importantes para a evolução dessa ideia desde o início. A Segunda Guerra Mundial também desempenhou um papel no incentivo à invenção do magnetômetro para encontrar submarinos, que também acabou sendo usado para estudar o paleomagnetismo. No século 19, estudos da direção da magnetização nas rochas mostraram que algumas lavas recentes foram magnetizadas paralelamente ao campo magnético da Terra. No entanto, no início do século 20, o trabalho de David, Brunhes e Mercanton mostrou que muitas rochas foram magnetizadas antiparalelamente ao campo magnético.
Este fato forneceu a base para o lançamento de uma teoria sobre a memória magnética das rochas. Na década de 1960, dois cientistas britânicos chamados F.J. Vine e D.H. Matthews analisaram alguns resultados de estudos paleomagnéticos para a hipótese de expansão do fundo do mar, propondo assim que o crescimento da crosta oceânica ocorreu através de material levantado do interior da Terra. Desta forma, observou-se que o magma se solidificou, retendo o magnetismo que existia na época, levando em consideração várias variáveis. Desta forma, a evolução da orientação paleomagnética trouxe muitas contribuições para a teoria geológica, notadamente a deriva continental e a dorsal meso-atlântica.
América do Sul
Os primeiros estudos de paleomagnetismo na América do Sul começaram na década de 1950, quando o pesquisador britânico Ken Creer estudou os fluxos basálticos da Formação Serra Geral no Brasil e Uruguai, e basaltos quaternários na Argentina. Ken era membro de um grupo interessado em geomagnetismo reunido no início da década de 1950 por professores pioneiros de paleomagnetismo. P.M.S. Blackett e Keith Runcorn.
Brasil
No estudo de reconstrução paleogeográfica, deriva continental e diversos problemas geológicos, diversos estudos envolvendo paleomagnetismo têm sido realizados no Brasil.
De maneira geral, podemos nos concentrar nos grupos de paleomagnetismo e petromagnetismo do IAG/USP:
“O Grupo de Pesquisa Paleomagnetismo e Petromagnetismo realiza pesquisas sobre anisotropia magnética aplicada para problemas geológicos, deriva continental e reconstrução paleogeográfica e magnetoestratigrafia de sequências sedimentares fanerozóicas. .Grupos de diversos países.Os resultados de suas pesquisas são publicados em um grande número de trabalhos científicos em revistas de circulação internacional.
Pesquisas adicionais ainda estão em andamento no Observatório Astronômico Nacional.
A magnetização de rochas e minerais
O magnetismo das rochas e dos minerais que as compõem depende da capacidade de alinhar os spins dos elétrons que compõem os átomos. Quando se alinham, criam um dipolo magnético que interage e deforma o campo magnético da Terra. Alguns materiais não apresentam essa capacidade, exibindo spins com orientações não uniformemente distribuídas para gerar resultados de vetor zero.
Materiais que exibem capacidades de recombinação de spin em função da exposição a campos magnéticos externos podem ser classificados em três grupos: diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos. A propriedade que quantifica esta propriedade é a susceptibilidade magnética (k).
Devido à alta suscetibilidade magnética desses minerais, esse grupo de minerais ferromagnéticos é o único mineral de interesse em estudos paleomagnéticos. Quando expostos a campos magnéticos externos, eles produzem campos magnéticos induzidos fortes o suficiente para serem identificados em levantamentos geofísicos. Os principais minerais que representam este grupo são: magnetita, pirrotita monoclínica e ilmenita.
Tipo de magnetismo
Uma característica importante dos campos magnéticos de rochas e minerais é sua dependência de campos magnéticos externos. Os campos induzidos geralmente são diretamente dependentes do campo externo principal, portanto, se os campos externos também saírem, eles deixarão de existir. Isso ocorre porque quando o campo externo para, a direção de rotação retorna ao estado inicial.
Essa dependência não é observada quando o objeto tem o que se define como remanência. Neste caso, o campo magnético externo provoca uma alteração relativamente irreversível no magnetismo do material, apresentando um conjunto de elétrons total ou parcialmente orientados após a remoção do campo magnético externo. Essas alterações são consideradas relativamente irreversíveis devido a fatores como perda de remanência devido à exposição de longo prazo a campos magnéticos ou mudanças nas condições físico-químicas da rocha que podem resultar em perda de remanência.
Minerais e rochas podem exibir ambos os tipos de magnetismo, de modo que o campo magnético resultante é a soma vetorial do campo magnético residual e do campo magnético induzido pelo campo magnético externo atual.
Remanência de campo
Estudos paleomagnéticos são possíveis porque certos minerais têm a capacidade de registrar campos magnéticos passados e suas assinaturas magnéticas podem ser registradas por meio de diferentes mecanismos. A remanência ocorre quando um mineral atinge seu limite de saturação e os spins de seus elétrons se alinham, registrando a que se refere o magnetismo quando a rocha se cristaliza.
O ponto de vista de Curie
Também conhecida como temperatura de Curie, determinada pelo químico francês Pierre Curie, é a temperatura na qual ocorre uma mudança significativa nas propriedades magnéticas de um mineral. Ou seja, acima dessa temperatura, os minerais perdem seu magnetismo, ou se cristalizarem acima dessa temperatura, os minerais não apresentarão magnetismo. No caso de rochas e minerais, o magnetismo residual ocorre abaixo do ponto de Curie (570°C ou 1060°F) da magnetita. Essa temperatura foi verificada pelo físico francês Pierre Curie, que em 1895 descobriu leis que ligavam certo magnetismo a mudanças de temperatura. Dessa forma, o mineral magnético pode ser usado como termômetro, pois a detecção do magnetismo remanescente mostra que, a partir do momento em que o corpo adquire seu magnetismo, ele não foi exposto a nenhuma temperatura acima do ponto de Curie.
Quando o corpo ultrapassa a temperatura do ponto de Curie, o calor faz com que os elétrons que compõem o material fiquem desordenados, resultando em uma perda instantânea de magnetismo. No entanto, cada material tem uma temperatura Curie específica.
Tipo de magnetização
Em um cenário geológico, processos específicos podem ser distinguidos para explicar como um determinado mineral ou partícula localiza seu campo de acordo com os campos predominantes na Terra. Provavelmente o processo mais comum e instrutivo para demonstrar a magnetização de minerais é a cristalização através de um processo ígneo para manter a orientação atual do campo magnético. No entanto, diferentes processos podem ser usados para justificar a magnetização, incluindo:
Magnetismo pós-aquecimento: Ocorre quando os minerais atingem temperaturas abaixo da temperatura de Curie durante a cristalização. Durante este processo, o vetor de magnetização (J) dos grãos tende a ser paralelo ao campo magnético terrestre (H).
Magnetização Residual de Detritos: As partículas sedimentares formadas a partir de materiais ferromagnéticos tendem a se orientar de acordo com o campo ativo da coluna d’água ao longo do meio em que são depositadas.
Magnetismo residual químico: Geralmente associado ao processo diagenético e ocorre abaixo da temperatura de Curie.
Remanência viscosa: Isso acontece quando as partículas são expostas a campos magnéticos fracos por um longo tempo.
Aplicações do Paleomagnetismo
A pesquisa paleomagnética pode ser usada como ferramenta em muitos campos das ciências da terra, especialmente trabalhos relacionados a campos tectônicos. A forma como as rochas são magnetizadas tende a fazer com que os minerais reflitam as condições do campo magnético dominante quando cristalizam, ou seja, os minerais ou partículas magnetizadas refletem tanto a inclinação quanto a declinação do campo magnético.
Como mostrado, o campo magnético na Terra varia com base na localização geográfica, declinação magnética, mergulho e força. Nesse sentido, uma amostra que retém sua magnetização pode ser associada à localização geográfica da magnetização da amostra. Ressalta-se que nem sempre se trata de uma correlação simples ou direta, pois diversos fatores de magnetização devem ser levados em consideração – elementos como a remanência de campo podem comprometer esses estudos.
Transmissão marítima
A definição do limite da anomalia magnética da crosta oceânica pode não apenas compreender o tempo relacionado à mudança da direção do campo magnético, mas também compreender o processo de formação do oceano.
Um dos processos fundamentais no desenvolvimento da teoria das placas tectônicas modernas é entender como a crosta oceânica é formada e reciclada, e os processos de subducção e consumo de placas. É nesse contexto que se insere uma das principais aplicações da pesquisa paleomagnética.
O campo magnético da Terra viaja repetidamente através do tempo geológico através da inversão de direção. Durante cada inversão, novas assinaturas magnéticas são refletidas na rocha em formação através de um dos processos de magnetização associados ao sistema geológico. Assim, processos de espalhamento oceânico com magmatismo constante produzem bandas rochosas bem definidas cujos vetores magnéticos estão relacionados com a orientação do campo magnético em momentos específicos da história geológica.
A partir da correlação entre dados paleomagnéticos e espalhamento oceânico, métodos como avaliar as taxas de subducção relativas de placas tectônicas e avaliar mudanças temporais em campos magnéticos também são possíveis.
Reconstrução de placas
Estudos paleomagnéticos também podem apoiar o processo de reconstrução de placas consumidas em zonas de subducção durante um determinado ciclo tectônico. De forma simplificada, esses estudos podem considerar zonas de magnetização semelhantes em outra placa associada à crista subductora.
Um exemplo do contexto em que tais estudos são conduzidos são as placas Farallon e Kula (completamente esgotadas sob a placa norte-americana há cerca de 20 milhões de anos), outrora localizadas no Oceano Pacífico e reconstruídas pela placa Juan de Juan. Sair.
Ressalta-se que no contexto atual do interior da Terra (fluxos de calor e velocidades de deslocamento de placas menores do que nos últimos 100 milhões de anos), o registro oceânico corresponde a um período de aproximadamente 180 milhões de anos.
A limitação
Durante o desenvolvimento de pesquisas ou pesquisas relacionadas ao paleomagnetismo, algumas premissas devem ser adotadas e algumas práticas básicas devem ser realizadas para evitar conclusões falsas e até mesmo realizar o controle de qualidade das amostras coletadas.
Em primeiro lugar, destacam-se os estudos de remanência descritos acima: em muitos casos, podem ser observados registros de múltiplas orientações de campos magnéticos em rochas. Isso significa que é difícil isolar efetivamente as informações dos sujeitos da pesquisa, e os demais campos podem comprometer a qualidade final dos dados. Para lidar com esse recurso, geralmente é empregada a limpeza magnética, como:
Desmagnetização térmica: O material é aquecido a uma temperatura específica e depois resfriado sob a orientação de um campo H. O resultado deste processo é que toda a magnetização residual é quebrada abaixo da temperatura de bloqueio selecionada.
Desmagnetização química: Por exemplo, aplicar uma solução ácida a um material para dissolver a cimentação tardia.
Desmagnetização de campo: submeter um material a condições de mudança contínua de campos alternados.
Além disso, é necessário o controle estrutural dos dados coletados, principalmente se o processo de magnetização do grão ou composição mineral da rocha for posteriormente deformado. Nesses casos, o vetor campo não necessariamente representa o campo de interesse, principalmente no caso de deformações estendidas, como flexão onde a inversão geométrica do vetor campo pode ser gerada. Processos de superfície, como o intemperismo, também podem contribuir decisivamente para as mudanças no registro magnético da rocha.
Outra limitação dos estudos paleomagnéticos é a dificuldade em determinar a posição longitudinal, principalmente devido aos dados vetoriais de campo retornados pela caracterização do registro paleomagnético. Finalmente, há sempre incerteza nos dados paleomagnéticos, principalmente devido a mudanças nos polos magnéticos em relação aos polos geográficos. Essa situação levou a estudos relacionados a deslocamentos continentais, por exemplo, que são descritos apenas como deslocamentos relativos. Para reduzir essas incertezas, foram utilizados estudos estatísticos baseados em grandes amostras e processamento robusto.
