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Archaeomagnetismo Sviluppato nel XX secolo, a partire dall’applicazione delle misure e delle teorie del paleo-magnetismo a problemi di tipo archeologico. La misura dell’intensità e della direzione del campo registrato in diversi materiali archeologici, permette di determinare la data probabile dell’ultimo processo di riscaldamento subito dall’oggetto: un forno, una struttura in argilla, un recipiente ceramico; oppure la data del periodo di utilizzo di una costruzione per la canalizzazione dell’acqua. Questo genere di ricerca è possibile solo per aree geografiche e periodi storici dei quali si conoscono le relative posizioni del campo magnetico terrestre. Magnetic Dating
Il paleomagnetismo studia le Fluttuazioni del Campo Magnetico Terrestre su scale di tempo Geologiche e Storiche. Esiste un’ampia varietà di applicazioni del Paleomagnetismo ai problemi delle scienze della terra, ed alla Geologia, alla Geofisica, all’Oceanografia, alla Sedimentologia, alla Geomorfologia, all’Archeologia ed alla Climatologia: - Un settore di occupa della comprensione dell’Origine e del comportamento del Campo Magnetico Terrestre; - Un altro settore utilizza le Variazioni del campo Geomagnetico nel Tempo, per operazioni di datazione e per studi cronologici; Paleomagnetismo Magnetic Dating
Archeo-magnetismo • Lo studio dei fenomeni geomagnetici dell’antichità e dei materiali archaeologici per la determinazione delle variazioni del campo magnetico terrestre (variazioni secolari) è chiamato archeo-magnetismo. • Le variazioni nel tempo del campo magnetico terrestre in direzione e intensità costituiscono le basi della datazionearchaeomagnetica. • Il magnetismo residuo nelle rocce e nei materiali ha origini naturali, è chiamato anche magnetismofossile ed è principalmente caratterizzato da un valore di magnetizzazione rimanente (Rimanenza) con direzione e intensità caratteristiche dei luoghi e delle epoche considerati. Il campo magnetico terrestre varia col tempo in direzione e intensità; il periodo di acquisizione del magnetismo fossile può essere determinato attraverso il confronto delle proprietà del campione con le registrazioni del campo magnetico nel passato nella località dove l’oggetto è stato ritrovato. • I valori di declinazione,inclinazione e intensitàdefiniscono il campo magnetico in ogni punto sulla superficie della crosta terrestre. • Questi valori non sono fissi. Il campo terrestre è dinamico e si sposta. Attualmente la declinazione a Londra varia di circa 1° ogni dieci anni. Anche l’angolo di inclinazione varia nel tempo. Magnetic Dating
La Terra: dimensioni Magnetic Dating
Polar wander Magnetic Dating
Variazione del campo terrestre Londra, variazione Declinazione, Inclinazione Variazione Intensità Magnetic Dating
Archaeomagnetismo: tecnica di datazione impiegata nei siti archeologici negli ultimi 30/40 anni. • I minerali magnetici contenuti in strutture archeologiche di ceramica o terracotta, come forni o focolari domestici, registrano la direzione e la forza del campo magnetico terrestre esistente nel momento in cui sono state riscaldate a elevata temperatura (per cuocere il cibo, oppure durante la produzione). Se, dopo la “registrazione” della direzione del campo la struttura non è stata ricotta a temperatura elevata né spostata o mossa, l’informazione rimane disponibile, “bloccata" nel materiale, e misurabile. • Poiché la direzione del polo Nord magnetico varia nel tempo, la direzione registrata nell’oggetto di interesse archaeologico può essere confrontata con una mappa delle variazioni di direzione del Nord magnetico North nel tempo, per determinare la data in cui la struttura è stata per l’ultima volta cotta. Magnetic Dating
Il Campo Magnetico Terrestre (CMT) è misurabile in ogni luogo, sulla superficie della Terra, attraverso la definizione di tre grandezze: inclinazione (I), declinazione (D), intensità (o forza) (F). L’Inclinazione identifica la componente verticale del CMT e misura l’angolo di ingresso del campo in gradi rispetto al piano orizzontale, tangenziale alla superficie della Terra. La Declinazione identifica la componente orizzontale del CMT e misura in gradi la sua direzione rispetto al Nord geografico. L’Intensità identifica la forza del CMT. Attraverso la misura di queste grandezze su tutta la superficie del pianeta, i ricercatori determinano la struttura generale del campo magnetico della Terra. Magnetic Dating
The Earth's magnetic field (CMT) In prima approssimazione, il CMT è assimilabile a quello che sarebbe prodotto da una gigantesco magnete posizionato al centro della Terra. Questo è il modello detto del “dipolo”, che torna utile per la discussione dei dati paleomagnetici, ma che non soddisfa né esaurisce la descrizione del CMT per come lo osserviamo quotidianamente. Nonostante ciò, le proprietà del CMT in ogni punto della superficie terrestre possono continuare ad essere di tipo “vettoriale”, definite cioè attraverso una direzione e un’intensità. I tre parametri che definiscono il CMT sono l’intensità o forza, F (è anche usato B), la declinazione, D, e l’inclinazione, I. Magnetic Dating
IL CAMPO TERRESTRE (CMT) • In genere, il campo geo-magnetico parrebbe essere uniforme in tutto il mondo. Tuttavia un esame più accurato permette di riconoscere che il CMT può in ogni luogo essere separato in almeno due componenti distinte. Nella maggior parte delle regioni del pianeta, un unico modello di dipolo, assimilabile a un magnete, è sufficiente per definire all’80 – 90 % i poli Nord e Sud magnetici locali. • Attualmente, l’asse di questo dipolo si colloca approssimativamente lungo l’asse geografico di rotazione del pianeta, con uno scarto di soli 11°. Il Polo Nord magnetico corrisponde alla posizione 79° N di latitudine, 109° W longitudine. Se si sottrae al campo geomagnetico totale il contributo di dipolo o, resta un residuo 10-20% di campo. Questo costituisce la componente “anomala” al CMT che, diversamente dal campo di dipolo, è distribuita in modo non omogeneo sulla superficie terrestre ed è concentrata in 7 o 8 regioni di dimensioni sub-continentali. Magnetic Dating
IL CAMPO TERRESTRE ANOMALO • Le regioni anomale del CMT causano distorsioni sui valori di inclinazione e declinazione rispetto al solo campo di dipolo. Poiché il campo anomalo è molto dinamico e soggetto a crescita, riduzione e spostamento, le distorsioni sono esse stesse variabili con periodicità da 1 a 103 anni. Al presente, le anomalie del tipo “non dipolare” deviano verso ovest alla velocità di 0.2° di longitudine per anno. Queste variazioni, combinate con quelle in direzione e forza del campo di dipolo nel tempo, costituiscono la Variazione Secolare Geomagnetica. Il contributo di dipolo alla variazione secolare varia uniformemente in tutto il mondo con una periodicità di 104 anni, o maggiore. La periodicità di variazione dei contributi anomali è specifica per ogni regione. • Quindi, mentre la successione delle Variazioni secolari osservate a Londra appare simile a quella di Parigi, è ben diversa da quella osservata, per esempio, nel SudEst degli U.S.A. Per questo, ogni regione necessita di una ricostruzione specifica della Variazione secolare locale del CMT. Magnetic Dating
Virtual Geomagnetic Pole Il Polo Geomagnetico Virtuale (VGP) è il valore matematico mediato fra tutte le coordinate geografiche disponibili sull’asse di dipolo osservate in un sito specifico. Il VGP differisce dal polo geomagnetico in quanto è costruito sulla base di un solo sito mentre il polo geomagnetico è costruito con riferimento all’intero globo. Magnetic Dating
Intensity of the geomagnetic field for October, 1992.The intensity values are in general highest at the poles ( 60µT) and lowest near the equator (20 µT). Magnetic Dating
Inclination of the geomagnetic field for October, 1992: Lines of inclination vary uniformly from –90° to +90° at the the poles, with 0° at the equator; the contours would be straight and would parallel the lines of latitude. There is considerable waviness to the lines, again suggesting that the field is not perfectly described by a geocentric bar magnet. Magnetic Dating
In figure the declination of the geomagnetic field (1992), using a popular model of the field, the International Geomagnetic Reference Field (or IGRF). Magnetic Dating
Origine del CMT La morfologia del CMT cambia molto velocemente, rispetto ai tempi geologici. L’implicazione di questa affermazione è che qualsiasi sia la causa di queste rapide variazioni essa deve essere associata con altrettanto rapidi movimenti che hanno luogo da qualche parte nella Terra. L’unico luogo ragionevole in cui è possibile ipotizzare che ciò accada è il nucleo esterno della terra, che è noto essere fluido (dalla sismologia) e si ritiene essere costituito prevalentemente da ferro (studi sui meteoriti) e quindi elettricamente conduttore. Al di sotto di alcune decine di chilometri dalla superficie, la Terra è troppo calda per permettere una magnetizzazione permanente di qualunque materiale, pertanto il CMT decadrebbe rapidamente se non fosse rigenerato da qualche meccanismo in continuazione. Occorre dunque identificare un meccanismo capace di convertire l’energia meccanica generata dalla rotazione del pianeta, in energia elettro-magnetica, come farebbe “dinamo”. Il modello della geo-dinamo non è mai stato completamente definito e contiene numerose incongruenze, però è noto che i moti di spostamento di cariche e correnti, possono generare un campo. Immaginiamo di disporre di un semplice apparato: il cosiddetto “disco di Faraday”, che consiste in una superficie circolare ruotante in un campo magnetico. Magnetic Dating
LA GEO-DINAMO • A causa della forza di Lorentz: F = q (E +v x B) , le cariche sulla superficie circolare subiscono ruotando una accelerazione e si stabilisce lungo il circuito una differenza di potenziale; • Il circuito esterno garantisce la continuità al flusso di corrente; • La corrente indotta genera a sua volta un campo magnetico che rinforza il campo originale; • Anche se questo modello è ben diverso da quello del nucleo terrestre, tuttavia mostra che l’azione della geo-dinamo è in grado di spiegare almeno in parte le proprietà osservate del CMT. Magnetic Dating
Ipotesi sui moti delle correnti nel nucleo esterno Magnetic Dating
Zone di inversione del CMT Magnetic Dating
The Geomagnetic Reversal Time Scale (GRTS) • Le anomalie magnetiche hanno origine dalle faglie dei fondali oceanici (mid-ocean ridge), dove il magma fuso proveniente dal “mantello” terrestre raffredda e solidifica, acquisendo una TRM. Queste rocce subiscono un’alterazione idro-termica e le anomalie magnetiche marine potrebbero dipendere anche da trasformazioni chimiche (CRM). • Le rocce formatesi, fortemente magnetizzate sono poi gradualmente trasportate lontano dalla faglia oceanica dal processo di “deriva dei continenti” e, quando la polarità del campo terrestre varia, si generano fasce parallele di crosta oceanica con polarità alternata. Queste fasce producono campi magnetici che, si addizionano o si sottraggono dal campo ambientale terrestre e si avvertono come anomalie magnetiche allineate, rilevabili da magnetometri ancorati sotto le navi. Magnetic Dating
Mid-Ocean Ridges: Classification Slow (Mid-Atlantic Ridge; Rate 1-5 cm/yr)Axial zone has a well developed median rift valley; 30-50 km wide; 1.5-3 km deep;rugged topography; Steep walls Intermediate (Northern East Pacific Rise; Rate 5-9 cm/yr)Axial zone has a small median rift only 50-200 m deep; smooth topography Fast (Southern East Pacific Rise; Rate >9 cm/yr)No median rift in axial zone; very smooth topography Magnetic Dating
The Geomagnetic Reversal Time Scale La taratura della scala di tempo basata sulle anomalie direzionali del campo magnetico terrestre è in continuo aggiustamento ed è argomento di considerevole dibattito. La taratura si basa principalmente sull’età assoluta ricavata per alcune inversioni; l’età di altre inversioni sono poi stimate per interpolazione (o estrapolazione) fra datazioni accurate. In ogni caso, le variazioni possibili (incertezza) sono considerate dell’ordine del 10 % del valore assegnato. Magnetic Dating
The Geomagnetic Reversal Time Scale (GRTS) The reversal sequence of the magnetic field was first calibrated for the last five million years by dating basalts of known polarity. For historical reasons, the polarity sequence has been broken down into times of dominantly normal polarity and times of dominantly reversed polarity. These time units are known as Chrons. The most recent four chrons are named after great scientists who contributed significantly to our understanding of the geomagnetic field. Here is a recent version of the Geomagnetic Reversal Time Scale (GRTS) for the last five million years. Magnetic Dating
Magneto-stratigrafia I dati direzionali cadono in due gruppi separati, identificabili come normali o rovesciati; La consistenza dei dati ricavati da campionamenti multipli presi da uno stesso livello stratigrafico è fondamentale. Occorre prelevare almeno tre diversi campioni orientati per ogni singolo rilevamento. Stime indipendenti dell’età approssimata della sequenza stratigrafica sono necessarie. Il rilievo stratigrafico deve combaciare con la scala delle inversioni locali. Alcune zone di polarità potrebbero risultare scartate, non registrate, nella sezione campionata o nella scala temporale ricostruita. Magnetic Dating
Magnetostratigraphy • Una applicazione della scala magnetica cronologica consiste nel suo utilizzo per la datazione delle sequenze stratigrafiche. Il susseguirsi di zone a polarità invertita può essere determinato misurando il vettore magnetico rimanente nel campione estratto dalle diverse sezioni stratigrafiche. • Se le polarità delle diverse zone possono essere identificate senza ambiguità, esse costituiscono un preciso riferimento cronologico per le sequenze sedimentarie o vulcaniche. Queste informazioni sono uniche per la correlazione della stratigrafia su base mondiale e sono il metodo primario di collocazione cronologica delle evidenze evoluzionistiche del Cenozoico. Magnetic Dating
Magnetostratigrafia Magnetic Dating
The Record Of Layered Rocks • Le rocce sedimentarie stratificate o le rocce vulcaniche contengono informazioni importanti sull’ambiente del passato presente sulla superficie della Terra e nella “crosta”. • Le loro sequenze e le loro età relative forniscono informazioni basilari per la ricostruzione di gran parte della storia del pianeta. • Lo studio degli strati roccioso costituisce la stratigrafia. Magnetic Dating
“Informazioni Magnetiche” sono registrate anche nelle sostanze ferri-magnetiche contenute nei materiali ceramici, nella terra-cotte, nelle malte e nei pigmenti a base-Fe (come l’ematite) che hanno mantenuto inalterata la loro posizione dopo il raffreddamento, successivo alla cottura dell’argilla, o dopo l’essiccazione della fase colloidale (pigmenti, malte). Questo signigfica che I materiali ceramici, utilizzati per millenni per la costruzione di focolari, cucine e forni, così come i pigmenti rossi (usati per esempio nell’arte rupestre) contengono una magnetizzazione debole ma permanente che può essere misurata per determinarne l’intensità, la declinazione e l’inclinazione ponendole in correlazione con quelle del campo terrestre esistenti nella regione al tempo dell’ultima cottura. La Rimanenza Magnetica Termica (TRM) delle ceramiche dipende principalmente dalle proprietà della magnetite e dell’ematite. Magnetic Dating
Before clay is baked magnetic domains (which may be thought of as tiny bar magnets) are orientated in random directions. If the temperature is raised to over several hundred degrees Celsius, the thermal agitation of the crystals allows some of the domains to be aligned by the earth's magnetic field. When the clay cools their directions remain fixed, and there is a weak permanent magnetization in the same direction as the Earth's field. Magnetic domains partial ordering after heating and cooling in the Earth’s field Magnetic Dating
Grecia As the fired feature, and its magnetic particles, is cooled back below the Curie temperature, the magnetic information is essentially locked into place until the feature is subsequently reheated to or above the Curie temperature. Although temperatures at or above the Curie point are necessary for total remagnetization to occur, numerous experiments have demonstrated that primary magnetic directions can also be acquired by baked clays that are heated to significantly lower temperatures. In either case, the magnetic directions recovered from archaeological features typically correspond to the location of the virtual geomagnetic pole (VGP) at the time that the feature was last fired (e.g. house abandonment). Magnetic Dating
This magnetization can then be measured and compared to a regional time scale developed from TRM readings from artifacts of known age, similar to the concept used for dendrochronology. When considering which burnt features are suitable for dating by this method, the archaeologist's first consideration should be whether the feature has been moved since its last firing. A reliable sample may come from the floor or wall base of a kiln or oven. Before the sample is extracted it must be marked with its exact orientation to geographic north. Archaeomagnetism is capable of providing results that are very precise on samples of archaeological features up to about 10.000 years old. FORNI (Kilns) Egitto Creta Grecia. Magnetic Dating
Nelle regioni dove le variazioni secolari del campo magnetico della Terra sono già ricostruite, la datazione archeomagnetica può risultare ben accurata • Quando non sono disponibili curve della variazione secolare, la datazione archeomagnetica è possibile attraverso l’identificazione di variazioni della magnetizzazione di oggetti appartenenti a diverse epoche. Oggetti con età differente hanno parametri geomagnetici diversi; invece la similarità dei parametri geomagnetici implica, generalmente, una corrispondenza temporale. Questo metodo è detto “datazione relativa” (“relative dating”). Magnetic Dating
Le curve di Variazione Secolare Regionali sono ottenute attraverso datazioni, recuperate in modo indipendente, di strutture archeologiche ricotte in passato, come focolari di ceramica e terracotta, strutture murarie, o forni costituiti da buche. Strutture di terracotta, stazionarie sono utili come riferimenti paleo-magnetici per le proprietà delle particelle magnetiche che tipicamente si trovano nell’argilla (magnetite e ematite). Quando queste particelle sono riscaldate al di sopra della temperatura di Curie (580° C per la magnetite, 680° C per l’ematite), la loro configurazione magnetica si libera, permettendo ai domini magnetici di allinearsi lungo il campo magnetico prevalente. Magnetic Dating
Per ottenere datazioni accurate le “Variazioni Secolari”, o “Curve di Riferimento“, possono essere ricostruite grazie al ritrovamento di “testimonianze” dei cambiamenti subiti dal campo geomagnetico. Per esempio, attraverso studi di archaeomagnetismo su materiali già datati con altri mezzi. • Poichè la maggior parte degli studi sul campo geomagnetico si estendono nel passato solo agli ultimi 400 anni, solo materiali relativamente “recenti” possono essere datati per confronto diretto con le curve. Per campioni più antichi, la datazione archeomagnetica si può determinare confrontando la configurazione magnetica del campione con le curve di variazione secolare locale, ricostruite in modo indipendente grazie a materiali ritrovati nella stessa regione. L’accuratezza della datazione in questo caso dipende però tanto dall’incertezza (errore) legata alla misura dei campioni raccolti quanto da quella della curva ricostruita con diversi materiali di confronto. Magnetic Dating
Parigi: Declinazione (D) e Inclinazione (I) del campo terrestre raccolta su oggetti di interesse archeologico degli ultimi 3000 anni Magnetic Dating
The magnetic directions recovered from archaeological features typically correspond to the location of the virtual geomagnetic pole (VGP) at the time that the feature was last fired (e.g. house abandonment). • An archaeomagnetic sample typically consists of a set of 9-12 oriented specimens collected from a burned, clay-rich feature. This apparently large number of specimens/feature is needed to control for the heterogeneous nature of most archaeological features, in terms of both composition and firing. • Once the samples are received in the lab, the magnetic properties of each specimen are measured. This typically involves an initial measurement in a magnetometer, and then subsequent steps of magnetic "cleaning", through alternating field (AF) demagnetization, and re-measurement in the magnetometer. Magnetic Dating
Progressive steps of demagnetization are needed to remove any secondary components of magnetization that may have been acquired since the last episode of heating. Once all of the specimens in a sample have been processed, the best demagnetization level is determined and the data from that level are averaged to establish the sample's primary direction of magnetization (D and I), which is an estimate of the VGP location (paleolatitude and paleolongitude) at the time that the feature was last fired. • The dispersion of the individual specimen directions round the averaged sample direction is a measure of the precision of that direction and is expressed as an oval of confidence around the mean direction. Thus, a sample with high precision will have low specimen dispersion and a correspondingly small oval of confidence. The amount of dispersion is reflected in the sample's alpha 95 value, with low alpha 95 values indicating low dispersion and high precision. Samples with alpha 95 values below 5.0° are considered to be good, and those with values below 3.5° are considered to be excellent. Magnetic Dating
