miniatura|As faixas magnéticas resultam das inversões do campo magnético terrestre e da expansão do fundo oceânico. A nova crosta oceânica é magnetizada ao se formar e depois se afasta da dorsal nas duas direções. Os modelos mostram uma dorsal (a) há cerca de 5 milhões de anos, (b) há cerca de 2 milhões de anos e (c) no presente.
Paleomagnetismo é o estudo dos campos magnéticos terrestres pré-históricos registrados em rochas, sedimentos ou materiais arqueológicos. Em inglês, também se encontra a grafia palaeomagnetism. Geofísicos especializados em paleomagnetismo são chamados de paleomagnetistas.
Certos minerais magnéticos presentes em rochas podem registrar a direção e a intensidade do campo magnético terrestre no momento em que se formaram. Esse registro fornece informações sobre o comportamento passado do campo geomagnético e a posição antiga das placas tectônicas. A sequência de inversões geomagnéticas preservada em rochas vulcânicas e sedimentares, estudada pela magnetostratigrafia, forma uma escala temporal usada como ferramenta geocronológica.
Dados paleomagnéticos levaram à retomada da hipótese da deriva continental e à sua incorporação à teoria da tectônica de placas. Trajetórias de deriva polar aparente deram o primeiro suporte geofísico claro à deriva continental, enquanto anomalias magnéticas marinhas fizeram o mesmo para a expansão do fundo oceânico. Os dados paleomagnéticos permitem reconstruir posições e movimentos antigos de continentes e de fragmentos continentais, os terranos, recuando a reconstrução das placas tectônicas no tempo geológico.
O paleomagnetismo abrange medições equivalentes em amostras de outros corpos do Sistema Solar, como rochas lunares e meteoritos, usadas para investigar seus antigos campos magnéticos e a teoria do dínamo. A área depende de avanços no magnetismo das rochas e tem pontos de contato com o biomagnetismo, as tramas magnéticas, usadas como indicadores de deformação em rochas e solos, e o magnetismo ambiental.
História
Já no século XVIII se observava que agulhas de bússola se desviavam perto de afloramentos fortemente magnetizados. Em 1797, Alexander von Humboldt atribuiu essa magnetização a descargas de raios, que de fato podem magnetizar rochas superficiais. Nas pp. 136–137, Humboldt constatou que um pico nas montanhas do Alto Palatinado era magnético. Na p. 138, observou que um pico nas montanhas Harz, especificamente o Schuarcher, também apresentava magnetização. Ele a atribuiu a descargas de raios. Da p. 138: "Bey den Schuarchern ist es […] nicht unwahrscheinlich, daß ein Blitzstrahl in dem Granit jenen magnetischen Streifen hervorgebracht habe, […] " ("No caso do Schuarcher […] não é improvável que um raio tenha produzido no granito aquela faixa magnética […]"). Humboldt julgou essa explicação ainda mais provável no pico do Alto Palatinado porque até fragmentos da rocha eram magnetizados: "Nicht bloß das anstehende Gestein, sondern auch jedes noch so klein abgeschlagene Stück hat seine beiden Pole, seine eigene magnetische Achse." ("Não apenas a rocha do afloramento, mas também cada fragmento, por menor que seja, tem seus dois polos, seu próprio eixo magnético.") Estudos do século XIX sobre a direção da magnetização das rochas mostraram que algumas lavas recentes estavam magnetizadas paralelamente ao campo magnético terrestre. No início do século XX, trabalhos de David, Bernard Brunhes e Paul Louis Mercanton mostraram que muitas rochas estavam magnetizadas em direção antiparalela ao campo. No fim da década de 1920, o geofísico japonês Motonori Matuyama mostrou que o campo magnético terrestre se invertera em meados do Quaternário, uma inversão chamada Inversão de Brunhes–Matuyama.
O físico britânico P. M. S. Blackett construiu um magnetômetro astático de alta sensibilidade e o descreveu em um artigo publicado em 1952. Ele pretendia testar sua teoria de que o campo geomagnético se relacionava à rotação da Terra, hipótese que veio a rejeitar. O magnetômetro astático passou a ser usado em pesquisas paleomagnéticas durante a retomada da teoria da deriva continental.
miniatura|Um paleomapa desenhado por Wegener para explicar sua teoria. Alfred Wegener propôs em 1915 que os continentes tinham formado uma massa unida e depois se afastaram. Embora reunisse muitas observações a favor da hipótese, ela teve pouca aceitação por duas razões. Não se conhecia um mecanismo para a deriva continental e não havia um método para reconstruir o movimento dos continentes ao longo do tempo. Keith Runcorn e Edward A. Irving traçaram trajetórias de deriva polar aparente para a Europa e a América do Norte. As curvas divergiam, mas podiam ser conciliadas supondo-se que os continentes tivessem permanecido em contato até cerca de 200 milhões de anos atrás. Essa comparação deu o primeiro suporte geofísico claro à deriva continental. Em 1963, Morley, Vine e Matthews mostraram que as anomalias magnéticas marinhas eram compatíveis com a expansão do fundo oceânico.
América do Sul e Brasil As primeiras pesquisas paleomagnéticas na América do Sul começaram em 1956 e 1957, quando o pesquisador britânico Ken Creer coletou amostras orientadas dos derrames basálticos da Formação Serra Geral no Brasil e no Uruguai e de basaltos quaternários na Argentina. As amostras foram medidas com o magnetômetro astático de Blackett, e os primeiros resultados foram publicados em 1958.
Em São Paulo, equipamentos destinados a um laboratório de paleomagnetismo foram instalados no Instituto de Física da Universidade de São Paulo em 1971, com a participação de Daniel Valencio e Igor Pacca. O conjunto inicial tinha um magnetômetro astático, um sistema de desmagnetização por campo alternado e um magnetômetro fluxgate. Depois da criação do Departamento de Geofísica do IAG em 1972, o laboratório foi transferido para a nova unidade. O paleomagnetismo foi a primeira linha de pesquisa do departamento.
Em 2020, o Observatório Nacional iniciou a implantação do Laboratório de Paleomagnetismo, Cicloestratigrafia e Mineralogia Magnética, destinado a estudos direcionais e de intensidade do campo geomagnético em intervalos anteriores aos cobertos pelas medições dos observatórios magnéticos.
Campos de estudo O paleomagnetismo é estudado em diferentes escalas: A variação secular geomagnética corresponde às mudanças de pequena escala na direção e na intensidade do campo magnético terrestre. O polo norte magnético muda de posição em relação ao eixo de rotação da Terra. Como o campo magnético tem natureza vetorial, sua variação é estudada por medições paleodirecionais de declinação magnética e inclinação magnética, além de medições de paleointensidade.
direita|miniatura|240px|Inversões da polaridade magnética terrestre nos últimos 5 milhões de anos. As áreas escuras correspondem à polaridade normal, igual à do campo presente, e as áreas claras à polaridade invertida. A magnetostratigrafia usa o histórico das inversões de polaridade do campo magnético terrestre registrado nas rochas para determinar a idade dessas rochas. As inversões ocorreram em intervalos irregulares ao longo da História da Terra. A idade e o padrão dessas inversões são conhecidos pelo estudo das zonas de expansão do fundo oceânico e pela datação de rochas vulcânicas.
Princípios O estudo do paleomagnetismo é possível porque minerais que contêm ferro, como a magnetita, podem registrar polaridades passadas do campo magnético terrestre. As assinaturas magnéticas das rochas podem ser registradas por mecanismos diferentes.
Magnetização termorremanente
Minerais de óxidos de ferro e titânio no basalto e em outras rochas ígneas podem preservar a direção do campo magnético terrestre quando as rochas esfriam abaixo das temperaturas de Curie desses minerais. A temperatura de Curie da magnetita, um óxido de ferro do grupo dos espinélios, é de cerca de 580 °C, enquanto a maior parte dos basaltos e gabros já está completamente cristalizada abaixo de 900 °C. Os grãos minerais não precisam girar fisicamente para se alinhar ao campo magnético terrestre. Em vez disso, podem registrar a orientação do campo durante o resfriamento. O registro preservado recebe o nome de magnetização termorremanente, ou TRM.
Reações de oxidação podem ocorrer durante o resfriamento das rochas ígneas após a cristalização, de modo que a orientação do campo magnético terrestre nem sempre é registrada com precisão e o registro nem sempre permanece inalterado. Ainda assim, magnetizações preservadas em basaltos da crosta oceânica foram usadas no desenvolvimento das teorias de expansão do fundo oceânico relacionadas à tectônica de placas.
A TRM também pode ser registrada em fornos de cerâmica, lareiras e construções de adobe queimadas. O estudo das direções e intensidades magnéticas preservadas em materiais arqueológicos é chamado arqueomagnetismo. Uma de suas aplicações é a datação arqueomagnética. Embora os maoris da Nova Zelândia não produzissem cerâmica, seus fornos a vapor de 700 a 800 anos, ou hāngī, fornecem material adequado para estudos arqueomagnéticos.
Magnetização remanente detrítica Em outro processo, grãos magnéticos nos sedimentos podem se alinhar ao campo magnético durante a deposição ou pouco depois dela. Esse processo é chamado magnetização remanente detrítica. Se a magnetização é adquirida durante a deposição dos grãos, o resultado é uma magnetização remanente detrítica deposicional. Quando é adquirida pouco depois da deposição, recebe o nome de magnetização remanente detrítica pós-deposicional.
Rochas vulcânicas e sequências sedimentares podem produzir registros com resoluções diferentes. Lavas registram episódios de formação separados e muitas vezes podem ser datadas por métodos radiométricos. Sequências sedimentares longas podem registrar mudanças do campo de maneira quase contínua, embora a determinação de sua cronologia dependa de outros marcadores estratigráficos e geocronológicos.
Magnetização remanente química
Em um terceiro processo, grãos magnéticos crescem durante reações químicas e registram a direção do campo magnético no momento de sua formação. Diz-se que o campo é registrado por magnetização remanente química, ou CRM. Uma forma comum é mantida pelo mineral hematita, outro óxido de ferro. A hematita se forma por reações de oxidação de outros minerais da rocha, entre eles a magnetita. Camadas vermelhas, rochas sedimentares clásticas, como os arenitos, são vermelhas por causa da hematita formada durante a diagênese sedimentar. As assinaturas de CRM em camadas vermelhas podem ser úteis em estudos magnetostratigráficos.
Magnetização remanente isotérmica A remanência adquirida a temperatura fixa recebe o nome de magnetização remanente isotérmica, ou IRM. Esse tipo de remanência não é usado como registro paleomagnético, mas pode ser adquirido em consequência de descargas de raios. A magnetização remanente induzida por raios pode ser distinguida por sua alta intensidade e pela rápida mudança de direção em escalas de centímetros.
A IRM costuma ser induzida em testemunhos de sondagem pelo campo magnético do barrilete de aço usado na perfuração. Essa contaminação geralmente fica paralela ao barrilete, e grande parte pode ser removida por aquecimento até cerca de 400 °C ou por desmagnetização em um pequeno campo alternado. Em laboratório, a IRM é induzida pela aplicação de campos de diferentes intensidades e tem muitos usos no magnetismo das rochas.
Magnetização remanente viscosa A magnetização remanente viscosa é a remanência adquirida por materiais ferromagnéticos sob a ação de um campo magnético durante algum tempo. Nas rochas, essa remanência costuma se alinhar à direção do campo geomagnético existente durante sua aquisição. A fração da magnetização total de uma rocha correspondente à magnetização remanente viscosa depende de sua mineralogia magnética.
Amostragem miniatura|Metade de um segmento de testemunho sedimentar de um metro, com caixas usadas para amostragem paleomagnética.