AGG0115 – GEOFÍSICA I

Prof. Manoel S. D’Agrella Filho

Monitores: Giovanni Moreira e

Daniele Brandt

Minerais magnéticosDiagrama ternário

Nos vértices encontramos os minerais:

Rutilo – TiO2

Wustita – FeO

Hematita – Fe2O3

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 (Fe2+) e um íon de Ti4+ são

substituídos por dois íons férrico

(Fe3+)

Minerais magnéticos

A Wustita – FeO é constituída

por um íon de Fe2+.

A magnetita - Fe3O4 é

constituída por 1 íon de Fe2+

e dois íons de Fe3+

A hematita – Fe2O3 é

constituída por dois íons de

Fe3+

Minerais magnéticos

Duas séries de solução sólida são

importantes:

Série das Titanomagnetitas

Série das Titanohematitas ou ilmeno-

hematitas.

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: ~ 108-1010 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

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.

Equipamento utilizado

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:

Mt = Mi + Mr

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