MAGNETOSTRATIGRAFIE

NOTIUNI DE PALEOMAGNETISM

Campul magnetic terestru

Configuratia actuala (la suprafata) a campului magnetic terestru este foarte complexa, insa aproximativ 90 % din aceasta configuratie poate fi explicata prin existenta unui camp geocentric dipolar.

Directia si intensitatea campului geomagnetic se schimba in timp. Aceasta schimbare, cu periodicitati de 1-10⁵ ani constitue variatia seculara geomagnetica (fig. 10.1).

Schimbarile directionale ale polului geomagnetic nu sunt ciclice, ci aleatoare in jurul polului geografic, astfel incat pozitia medie (in timp mai lung decat perioada de variatie seculara) a polului geomagnetic este identica cu pozitia polului de rotatie (polul geografic). Aceasta ultima observatie constituie ipoteza de baza in paleomagnetism, denumita ipoteza dipolului geocentric si axial.

Aplicatia directa a acestui model este in tectonica globala. Daca momentul de formare al rocilor colectate pentru un studiu de paleomagnetism, acopera ca interval de timp perioada de variatie seculara, atunci polul mediu obtinut poate fi paralelizat cu polul geografic din momentul formarii rocii; constituind in felul acesta un referential extern in raport de care se pot determina eventualele rotatii sau translatii latitudinale ale placii (blocului) tectonic pe care se afla arealul studiat.

La scara timpului geologic, pe langa variatia seculara exista si modificarea polaritatii campului magnetic terestru (fig. 10.2). Situatia actuala este definita prin conventie polaritate normala (normal polarity), iar situatia diametral opusa este denumita polaritate inversa (reverse polarity). Rata de schimbare a polaritatii este si ea aleatoare (fig. 10.3), existand in decursul timpului zone de dominanta lunga a unei singure polaritati (de exemplu aproape 40 Ma cu polaritate normala din Aptian pana in Senonian) sau zone cu rata de inversare foarte mare (de exemplu 10 inversari in 5 Ma la nivelul miocenului inferior).

Magnetizarea remanenta naturala a rocilor

Toate mineralele au proprietati magnetice: diamagnetism, paramagnetism sau feromagnetism. Importante pentru paleomagnetism sunt cele feromagnetice capabile sa retina o magnetizare remanenta pe termen lung. Aceste minerale sunt oxizii de fier ( Ti): seria titanomagnetit si titonohematit, maghemit si goethit.

Magnetizarea in situ a unei roci (J) este o suma vectoriala a doua componente: magnetizarea indusa (Ji) si magnetizarea remanenta (Jr).

J = Ji + Jr

Prezenta locala a campului geomagnetic (H) produce magnetizarea indusa:

Ji = χ H

unde χ este susceptibilitatea magnetica rezultata din contributia tuturor mineralelor, dar este dominata de cele feromagnetice.

Achizitia magnetizarii induse este un proces reversibil fara memorarea campului magnetic. Doar magnetizarea remanenta poate retine informatia asupra paleocampului magnetic la scara timpului geologic.

Magnetizarea remanenta dintr-o roca poarta numele de magnetizare remanenta naturala (natural remanent magnetization - NRM) si ea poate fi compusa dintr-una sau mai multe componente, dependente de evolutia proceselor geologice care au afectat roca respectiva de la formarea ei pana la momentul analizarii.

Magnetizarea achizitionata in timpul formarii rocii este denumita primara, pe cand cea achizitionata ulterior (prin diferite procese) este considerata secundara.

NRM = NRM primara + NRM secundara

Exista trei forme de baza ale magnetizarii remanente primare:

- magnetizarea termoremanenta (thermoremanent magnetization - TRM) achizitionata in timpul racirii topiturilor magmatice, in prezenta campului magnetic terestru, sub temperatura Currie (T_C = temperatura la care se realizeaza ordonarea momentele magnetice ale mineralelor feromagnetice; ea este diferita de la mineral la mineral, de ex. 580C pentru magnetit si 680C pentru hematit). TRM este forma de achizitionare a NRM in majoritatea rocilor magmatice.

- magnetizarea remanenta chimica (chemical remanent magnetization - CRM) formata prin cresterea mineralelor feromagnetice (sub temperatura Currie) in campul magnetic terestru pana la un volum critic (specific pentru fiecare mineral). Reactiile chimice care conduc la formarea mineralelor feromagnetice sunt: alterarea mineralelor preexistente si precipitarea din solutii.

- magnetizarea remanenta detritica sau depozitionala (detrital remanent magneti-zation - DRM) achizitionata in timpul acumularii sedimentelor clastice, prin depunerea dintr-o suspensie fina a particulelor feromagnetice. Acestea se orienteaza mecanic (ca niste mici magneti) paralel cu liniile de camp magnetic, daca asupra lor nu actioneaza alte forte care sa le schimbe orientarea.

Magnetizarea remanenta secundara poate fi poate fi produsa de: reincalziri (magnetizare termoremanenta partiala sau totala) si neoformatii de minerale feromagnetice (CRM) in timpul diagenezei rocilor sedimentare, hidrotermalismului zonelor magmatice sau metamorfismului.

Magnetizarea remanenta secundara poate uneori sa acopere total componenta principala, caz in care roca este considerata ca fiind remagnetizata.

Stabilirea caracterului primar sau secundar al magnetizarii se poate realiza cu ajutorul testelor de teren si a metodelor statistice de analiza a datelor de paleomagnetism. Testele de teren sunt (fig. 10.4):

- testul de cutare (fold test) permite stabilirea momentului de achizitionare a magnetizarii intr-o zona cutata: inainte, dupa sau in timpul fazei de cutare.

- testul de conglomerat (conglomerate test) permite evidentierea unor posibile remagnetizari areale; daca elementele dintr-un conglomerat arata directii aleatoare ale vectorului NRM atunci momentul de achizitionare a magnetizarii este inaintea formarii conglomeratului.

- testul de inversiune (reversals test) in cazul unei magnetizari primare, directia medie a NRM pentru punctele cu polaritate normala trebuie sa fie antiparalela fata de directia medie a punctelor cu polaritate inversa.

- testul de consistenta, verifica daca diferite tipuri de roci de aceeasi varsta, dau acelasi rezultat si daca acesta este diferit fata de rezultatul obtinut pe roci de alta varsta.

- testul de contact copt (baked contact) se aplica in cazul contactului unei roci magmatice cu rocile inconjuratoare; temperatura ridicata a topiturii magmatice genereaza aureole termice in rocile inconjuratoare. Roca magmatica si roca gazda remagnetizata (din imediata vecinatate a contactului) vor avea directii similare, iar distal fata de contact, roca gazda neafectata termic este de asteptat sa prezinte o directie a NRM semnificativ diferita.

Structura magnetizarii remanente naturale (componentele primare si secundare) se poate determina prin metode de laborator:

- demagnetizari in camp magnetic alternativ (AF) crescator;

- demagnetizari termice (TH) progresive de la temperatura camerei la temperaturi de aprox. 700C, urmarindu-se eventualele transformari mineralogice care apar.

Vectorul magetizarii remanente primare obtinut in urma masuratorilor de laborator este definit de doua unghiuri si un modul (fig. 10.5). Cele doua unghiuri sunt: INCLINATIA (I = unghiul in raport cu orizontala locului de colectare) si DECLINATIA (D = unghiul in raport cu directia catre nordul geografic); modulul vectorului este INTENSITATEA DE MAGNETIZARE.

In functie de valoarea inclinatiei (I) si pozitia geografica in momentul achizitionarii magnetizarii (emisfera in care se afla) se poate stabili polaritatea magnetica. De exemplu daca punctul de observatie era in emisfera nordica, si prezinta I < 0, atunci magnetizarea a fost achizitionata intr-un moment cu polaritate inversa.

Valoarea inclinatiei este dependenta de latitudine (φ):

tg I = 2 tg φ

Datele primare (D, I) se mediaza prin metode statistice pentru a se obtine directia medie (Dm, Im) ce urmeaza a fi interpretata in functie de scopul studiului.

Medierea datelor primare duce la indeplinirea conditiei necesare pentru aplicarea modelului dipolului geocentric si axial.

Astfel directia medie pe o arie permite calcularea pozitiei polului magnetic (latitudinea si longitudinea). Pozitia polului magnetic este utila pentru comparari cu rezultate din ariile invecinate. Astfel valoarea declinatiei (Dm) reprezinta unghiul si sensul (orar = clockwise sau anti-orar = couterclockwise) de rotatie al ariei studiate in raport cu directia de referinta.

APLICATII IN SEDIMENTOLOGIE

Aplicatiile paleomagnetismului in geologie (in general) si in sedimentologie (in special) sunt foarte diverse, cateva din acestea vor fi trecute in revista in acest modul. Paleomagnetismul aplicat pe rocile sedimentare si magnetostratigrafia au devenit in ultimul timp metode indispensabile in analizele complexe ale bazinelor, in corelari stratigrafice si areale. Cum principala motivatie in studiile sedimentologice/geologice este reconstituirea evolutiei proceselor depozitionale si postdepozitionale, doar integrarea tuturor datelor obtinute prin diverse metode poate conduce la o interpretare cat mai aproape de realitate.

Paleomagnetismul rocilor sedimentare

Din conceptele expuse anterior se poate observa ca sedimentele si rocile sedimentare rezultate prin procese mecanice: gresiile fin granulare, siltitele, argilele sau cele formate prin procese chimice/biochimice: calcarele, dolomitele, ferilitele, silicolitele, pot inregistra in momentul depozitiei sau postdepozitional, caracteristicile campului magnetic terestru din momentul respectiv.

Informatia paleomagnetica poate fi utilizata pentru reconstituiri ale ambiantei depozitionale (paleo-pozitie pe glob, interval de polaritate, caracteristici ambientale) doar daca aceasta nu este perturbata intens postdepozi-tional prin distrugerea mineralelor feromagnetice initiale. Din acest motiv este necesara cunoasterea si identificarea principalelor transformari geochimice ce au loc in cadrul sistemului Fe-S-H₂O (fig. 10.6). Postdepozitional sedimentele pot fi afectate de procese diagenetice diverse.

Sedimentele marine:

Sedimentele hemipelagice fiind in general fin granulare si compuse din cel putin 25% fractie terigena sau vulcanogena (deci si magnetit cu dimensiuni  1 μm) sunt eficiente in inregistrarea primara a DRM. Daca in timpul diagenezei timpurii nu se ajunge la medii puternic reducatoare, atunci exista toate sansele ca magnetizarea initiala sa se pastreze.

Sedimentele pelagice (crete, silicolite, argile rosii) au o rata mica de acumulare  mm/1000 ani, ele sunt intens afectate de cimentari si dizolvari timpurii, precum si de oxidari la temperaturi scazute a particulelor de magnetit. Oxidarea, cu formare de maghemit, duce la slabirea stabilitatii magnetice daca acest proces nu este inhibat de prezenta materiei organice. Astfel incat, daca sedimentele pelagice contin o cantitate moderata de organisme, atunci semnalul paleomagnetic este utilizabil.

Anumite tipuri de calcare constituie inregistratori paleomagnetici fideli. Mineralele feromagnetice din calcarele marine sunt: magnetit, hematit goethit si maghemit. Magnetitul este in general de origine detritica sau biochimica (bacterii magnetotactice). Hematitul ca pigmet prezent in calcarele rosii este considerat ca produs diagenetic timpuriu provenind din goethit. In astfel de roci CRM purtata de hematit poate fi contemporana cu DRM purtata de magnetit. Goethitul este larg intalnit in calcare coexistand atat cu magnetitul cat si cu hematitul, poate precipita direct din solutii sau poate rezulta din oxidarea piritei. Goethitul de obicei este purtatorul unei magnetizari instabile, iar caracteristica sa de a se deshidrata si de a trece in hematit la incalziri peste 300C duce la complicatii in timpul demagnetizarilor termice si deci la dificultati in izolarea magnetizarii primare caracteristice.

In consecinta cel mai avantajos cadru depozitional pentru retinerea magnetizarii primare sunt calcarele pelagice depuse in conditii usor oxidante si afectate foarte timpuriu de procese de cimentare, prevenindu-se astfel formarea goethitului sau a sulfurilor.

Depozitele continentale

Numeroase studii paleomagnetice au avut ca obiect depozitele continentale rosii asa numitele 'red beds'. Mult timp dezbaterea principala in jurul acestor depozite a fost daca magnetizarea caracteristica este de tip DRM primara, sau de tip CRM postdepozitionala. Din studii detaliate a rezultat ca mineralul feromagnetic dominant in red beds este hematitul, fie sub forma de granule > 1μm (purtand o DRM), fie sub forma de pigment fin granular < 1 μm (purtand o CRM timpurie sau tarzie). Doua procese importante pot fi invocate pentru a explica formarea hematitului ca pigment: (1) deshidratarea hidroxizilor de fier si (2) alterarea silicatilor cu fier, dar ambele procese sunt postdepozitionale. In aceste conditii doar aplicarea testelor de teren (testul de conglomerat, testul de inversiune si testul de cutare) in paralel cu observatiile petrografice si geochimice detaliate pot conduce la o buna interpretare a datelor paleomagnetice extrase.

Magnetostratigrafia

Principalul obiectiv in magnetostratigrafie este estimarea varstei unui eveniment (sau o serie de evenimente) dintr-o secventa de roci sedimentare. Acest deziderat se poate realiza prin determinarea zonelor de polaritate din secventa respectiva, acestea reprezentand amprenta unui interval din scara polaritatilor magnetice.

Extragerea succesiunii de polaritati, combinarea lor cu date de biostratigrafie si corelarea cu scarile de polaritate magnetica (geomagnetic polarity time scales - GPTS) existente, constituie baza magnetostratigrafiei, care este in felul acesta o metoda eficienta de stabilire a varstei si succesiunii temporale, precum si a corelarilor areale. Corelarea zonelor de polaritate obtinute cu GPTS depinde de cativa factori:

- calitatea datelor paleomagnetice utilizate pentru definirea polaritatii;

- probarea uniforma si adecvata (dependenta de rata de sedimentare) a seventei de sedimente;

- unicitatea solutiei de corelare intre succesiunea polaritatilor obtinute si GPTS.

Exemplul clasic de aplicare a magneto-stratigrafiei este 'Siwalik Valley' dintre India si Pakistan, care este o secventa continentala Neogena formata in timpul coliziunii Indiei cu Asia. Secventa a devenit clasica datorita etapelor succesive de aprofundare a cercetarilor ca un model de aplicare si de extragere completa a informatiilor continute prin corelarea tuturor metodelor posibile (paleontologie, stratigrafie, sedimentologie, datare absoluta, tectonica, si bineinteles paleomagnetism).

Aceasta secventa este bogata in fauna de mamifere Miocene, insa evolutia acestora era necunoscuta, astfel incat prima etapa a fost calibrarea geocronologica si descifrarea evolutiei mamiferelor Asiatice. A doua etapa parcursa in aceeasi zona a fost datarea cu ajutorul magnetostratigrafiei si a metodei 'fission tracts' (pe nivelele subtiri de tufuri) a momentelor importante din evolutia tectonica si sedimentologica (fig. 10.7).

A treia etapa a reprezentat-o aplicarea zonarii polaritatilor magnetice ca marker isochron (linii de timp) in interpretari sedimentologice; rezultatul obtinut fiind incurajator. Astfel pe sectiunea studiata utilizand izocrona DN4-DR4 (fig. 10.8) au fost identificate doua secvente fluviatile contemporane intrepatrunse si a putut fi elaborat un model de evolutie sedimentologica, tectonica si chiar hidrologica.