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AGG0115 – GEOFÍSICA I
Prof. Manoel S. D’Agrella Filho
Monitores: Giovanni Moreira e
Daniele Brandt
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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+)
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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+
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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)
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Magnetização
A magnetização total da rocha é a soma da
magnetização induzida e a magnetização
remanente:
Mt = Mi + Mr
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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.
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Amostragem de cilindros orientados
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Amostragem
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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.
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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.
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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.
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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.
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Desmagnetização por campos magnéticos alternados
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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).
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Forno utilizado para a Desmagnetização Térmica
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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).
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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.
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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.
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FIM