AGG0115 GEOFÍSICA I Prof. Manoel S. D Agrella Filho Monitores: Giovanni Moreira e Daniele Brandt
Minerais magnéticos Diagrama ternário Nos vértices encontramos os minerais: Rutilo TiO 2 Wustita FeO Hematita Fe 2 O 3 Quando caminhamos de baixo para cima no diagrama ternário, diminui a quantidade de ferro. As setas indicam o sentido de aumento no grau de oxidação, onde um íon ferroso (Fe 2+ ) e um íon de Ti 4+ são substituídos por dois íons férrico (Fe 3+ )
Minerais magnéticos A Wustita FeO é constituída por um íon de Fe 2+. A magnetita - Fe 3 O 4 é constituída por 1 íon de Fe 2+ e dois íons de Fe 3+ A hematita Fe 2 O 3 é constituída por dois íons de Fe 3+
Minerais magnéticos Duas séries de solução sólida são importantes: Série das Titanomagnetitas Série das Titanohematitas ou ilmenohematitas. A série das Pseudobroquitas é menos importante, pois os minerais desta série são paramagnéticos à temperatura ambiente e são raros na natureza.
Dependência do volume dos grãos Magnetização é a soma dos momentos magnéticos dividido pelo volume. Se a magnetização inicial for Mr(o), depois de um tempo t, a magnetização decai exponencialmente para Mr(t), de acordo com a equação: Mr(t) = Mr(o) exp (-t/ ) Onde é chamado de tempo de relaxação do grão.
Dependência do volume dos grãos Mr(t) = Mr(o) exp (-t/ ) Para t =, Mr( ) = 1/e Mr(o) é o tempo para que a magnetização decaia para 1/e de Mr(o). Se é grande, a magnetização decresce devagar e a magnetização é estável. representa a probabilidade que um grão tem de que a sua energia térmica seja suficiente para superar a energia magnética.
Dependência do volume dos grãos O tempo de relaxação depende das propriedades do grão magnético e é dado por: = (1 / o ) exp (V Ku / K T) o está relacionado com a freqüência de vibração da rede cristalina e apresenta um valor alto: ~ 10 8-10 10 s -1. Ku depende das propriedades magnéticas dos grãos
Dependência do volume dos grãos Esta teoria se aplica para grãos pequenos e que são uniformemente magnetizados. = (1 / o ) exp (V Ku / K T) Devido à variação exponencial, o tempo de relaxação varia rapidamente com a mudança do volume V e da temperatura T.
Dependência do volume dos grãos Grãos muito pequenos, abaixo de um valor crítico, exibem um comportamento instável, o qual é chamado de superparamagnetismo. Neste caso, o tempo de relaxação, o qual depende exponencialmente do volume V, é baixo, < 100 s.
Dependência do volume dos grãos Acima do valor crítico, a magnetização se torna estável, pois o tempo de relaxação aumenta exponencialmente com o volume e se torna rapidamente grande. Estes grãos estáveis formam os chamados grãos de Domínios Simples (SD)
Partículas de Domínio Simples - SD Quando a energia magnética (VKu) de um grão é maior que a energia térmica (KT), o grão se torna uniformemente magnetizado como um grão de Domínio Simples (SD).
Magnetização Remanente das Rochas Toda rocha contém uma pequena porcentagem de minerais magnéticos que apresentam a capacidade de adquirir magnetização remanente. A magnetização de uma rocha é chamada de Magnetização Remanente Natural (MRN). A MRN pode ser composta por uma ou mais componentes que foram adquiridas de diferentes maneiras e em diferentes épocas.
Magnetização Remanente das Rochas A MRN pode ser composta pela magnetização adquirida durante a sua formação (Magnetização Remanente Primária MRP) e por magnetizações posteriores (Magnetização Remanente Secundária MRS) em decorrência de processos físicos e químicos. Exemplos de magnetização primária: MTR (TRM) Magnetização termoremanente resfriamento da lava. MRD (DRM) magnetização remanente deposicional. Exemplos de magnetização secundária: MRQ (CRM) magnetização remanente química alterações químicas durante a diagênese ou intemperismo.
Magnetização Termoremanente - TRM A MTR é a mais importante magnetização que ocorre nas rochas ígneas e nas rochas metamórficas de alto grau. As rochas ígneas se solidificam a temperaturas acima de 1000 C. Nestas temperaturas, os grãos magnéticos já estão desenvolvidos, mas a temperatura dos grãos está bem acima da temperatura de Curie, que para a magnetita é de 580 C e para a hematita é de 675 C. Os momentos magnéticos atômicos flutuam de forma caótica e temos o comportamento paramagnético. Quando a rocha se esfria e passa pela temperatura de Curie dos minerais ferromagnéticos, aparece uma magnetização espontânea.
Magnetização Termoremanente - TRM Entretanto, nesta temperatura, a energia térmica é mais forte que a energia magnética (tempo de relaxação baixo) e a magnetização é instável superparamagnetismo. = (1 / o ) exp (V Ku / K T) Vai chegar uma temperatura em que o tempo de relaxação ( ) aumenta muito fazendo com que a magnetização espontânea fique bloqueada. Esta temperatura é chamada de Temperatura de Bloqueio TB.
Magnetização Termoremanente - TRM = (1 / o ) exp (V Ku / K T) A Temperatura de bloqueio depende do tipo de mineral magnético, das propriedades magnéticas associadas e do volume do grão. Como a rocha contém grãos de tamanhos e formas diferentes, ela terá um espectro de temperaturas de bloqueio.
Magnetização Termoremanente - TRM Como a rocha se resfria na presença do campo magnético terrestre, ela adquire uma magnetização que registra a direção deste campo. Ao passar pelas temperaturas de bloqueio dos grãos magnéticos, os momentos magnéticos são bloqueados na direção do campo na época.
Magnetização Remanente Deposicional - DRM A DRM é adquirida durante a deposição dos sedimentos em fundos de lagos, rios e oceanos. Durante a deposição, forças mecânicas competem com forças magnéticas que tentam produzir um alinhamento das partículas magnéticas na direção do campo atuante. O alinhamento é estatístico.
Magnetização Remanente pós-deposicional pdrm A pdrm é formada por minerais magnéticos de granulação fina aprisionados nos espaços de poros de sedimento aquoso. Estas partículas vão se orientar na direção do campo pela agitação destas partículas em suspensão movimento Browniano das moléculas de água, as quais continuamente colidem ao acaso com as partículas nos espaços dos poros, o que produz um alinhamento estatístico das partículas na direção do campo atuante. Experimentos mostram que a pdrm pode representar um registro correto do campo, sem apresentar erros de inclinação.
Magnetização Remanente Química MRQ - CRM A MRQ ocorre quando um mineral sofre uma alteração química ou quando um novo mineral magnético é formado autigenicamente. Exemplo: formação de hematita através de magnetita. Representa uma magnetização secundária, a menos que a alteração tenha ocorrido logo após a formação da rocha.
Magnetização Remanente Isotérmica MRI - IRM A MRI corresponde a uma magnetização induzida na rocha pela aplicação de um campo magnético a temperatura constante. Exemplo na natureza incidência de raios.
Magnetização Remanente Isotérmica MRI - IRM A MRI pode ser também induzida no laboratório para identificar os minerais magnéticos na rocha. A figura mostra dois exemplos de indução indicando em (a) a presença de magnetita e hematita e em (b) a presença de pirrotita e hematita.
Magnetização remanente Isotérmica - MRI Equipamento utilizado O procedimento para obter Curvas de aquisição de MRI consiste em submeter a amostra a etapas sucessivas de indução em campos magnéticos crescentes medindo-se a magnetização após cada etapa de indução.
Magnetização Remanente Viscosa MRV - VRM Como em um processo estatístico, há uma probabilidade de que os momentos magnéticos percam a magnetização anterior e se alinhem na direção de um campo aplicado, durante o tempo. Mr(t) = Mr(o) exp (-t/ ) Os grãos com magnetização mais instável serão os mais afetados neste processo. A magnetização que se origina é chamada de magnetização remanente viscosa e aumenta de forma logarítmica com o tempo.
Magnetização Remanente Viscosa MRV - VRM Normalmente, a MRV tem a direção do campo atual; É sempre uma magnetização secundária; Pode mascarar a magnetização original; Técnicas de desmagnetização conseguem eliminar facilmente este tipo de magnetização.
Magnetização A magnetização total da rocha é a soma da magnetização induzida e a magnetização remanente: M t = M i + M r
Estudo paleomagnético O paleomagnetismo consiste no estudo de uma formação geológica ou um enxame de diques ou sills que cubra um intervalo de tempo de, pelo menos, algumas dezenas de milhares de anos, para eliminar a variação secular do campo geomagnético. Várias amostras são extraídas de cada sítio de amostragem, o qual pode representar um nível sedimentar, um dique, um sill ou derrame de lava. Coleta-se várias amostras de um sítio para eliminar erros experimentais e de amostragem (orientação das amostras). As amostras são cortadas em espécimes de 2,5 cm de diâmetro por 2,2 cm de altura e submetidas aos tratamentos de laboratório.
Amostragem de cilindros orientados
Amostragem
As amostras cilíndricas de 2,5 cm de diâmetro são cortadas em espécimes por 2,2 cm de altura, remarcadas e submetidas aos tratamentos de laboratório.
Identificação de componentes de magnetização A magnetização remanente natural da rocha (MRN) pode ser composta por uma magnetização adquirida durante a sua formação (MRP) e por outras magnetizações adquiridas posteriormente, as quais são denominadas de magnetizações secundárias (MRS). Normalmente, estas componentes estão associadas a conjuntos de grãos com coercividades e/ou temperaturas de bloqueio distintos. Existem dois processos de laboratório usados para separar componentes de magnetização adquiridas pelas rochas: 1- Desmagnetização por campos magnéticos alternados; 2- Desmagnetização térmica.
Desmagnetização por campos magnéticos alternados Este processo consiste em submeter a amostra a um campo magnético alternado de pico H, que decai linearmente a zero, na ausência de campo magnético externo (isto é, o campo magnético da Terra é eliminado por escudos magnéticos). Em alguns aparelhos, o espécime de rocha gira em torno de dois eixos perpendiculares entre si. Todos os grãos com coercividades menores ou iguais a H serão afetados pelo campo magnético de forma a tornar suas magnetizações aleatórias, isto é, todos os grãos com coercividades menores ou iguais a H serão desmagnetizados neste processo. Como a rocha possui um espectro de coercividades, o aumento progressivo do campo magnético aplicado faz com que magnetizações com coercividades progressivamente maiores sejam desmagnetizadas.
Desmagnetização por campos magnéticos alternados O campo alternado de 60 Hz é aplicado na amostra e magnetiza os grãos com coercividades menores que H, de forma aleatória, desmagnetizando assim a amostra.
Desmagnetização por campos magnéticos alternados
Desmagnetização Térmica Consiste em submeter a amostra a uma determinada temperatura (T) na ausência de campo magnético externo e esfriá-la em seguida. Todos os grãos com temperaturas de bloqueio (TB) menores ou iguais a T terão tempo de relaxação ( ) menores que o tempo de experimento e serão superparamagnéticos. Neste caso, na ausência de campo magnético externo, não há preferência na orientação dos momentos magnéticos e a magnetização total para estes grãos será nula. Como a rocha possui um espectro de temperaturas de bloqueio, o aumento progressivo da temperatura faz com que magnetizações com temperaturas de bloqueio progressivamente maiores sejam desmagnetizadas de forma similar a aplicação da desmagnetização por campos magnéticos alternados (CA).
Forno utilizado para a Desmagnetização Térmica
Medida da magnetização Após cada etapa de desmagnetização a magnetização da amostra (cilindro de 2,5 cm de diâmetro por 2,2 cm de altura) é medida em um aparelho chamado de magnetômetro. No magnetômetro tipo rotativo ( spinner ), a mostra gira e o sensor mede a magnetização no plano horizontal. Após a medida da amostra em várias posições, o vetor magnetização da amostra pode ser determinado, isto é, sua declinação (Dec), inclinação (Inc) e intensidade (I).
Magnetômetro Spinner da Molspin No magnetômetro tipo rotativo ( spinner ), a mostra gira e o sensor mede a magnetização no plano horizontal. São realizadas 128 medidas a cada giro de 360 da amostra.
Medidas realizadas Pode-se realizar a medida da amostra em até seis posições (figura da direita) e em cada posição, são fornecidas as intensidades nas direções norte (N) e leste (E) no plano horizontal, além intensidade total (I) e da declinação em relação a direção norte. Na tela aparecem também as componentes X, Y e Z do vetor no espaço.
FIM