Rock magnetismo - Rock magnetism

Um magnetômetro de amostra vibrante , uma ferramenta amplamente usada para medir a histerese magnética .

O magnetismo das rochas é o estudo das propriedades magnéticas das rochas , sedimentos e solos . O campo surgiu da necessidade do paleomagnetismo de entender como as rochas registram o campo magnético da Terra. Essa remanência é carregada por minerais, particularmente certos minerais fortemente magnéticos como a magnetita (a principal fonte de magnetismo em magnetita ). Uma compreensão da remanência ajuda os paleomagnetistas a desenvolver métodos para medir o antigo campo magnético e corrigir efeitos como compactação de sedimentos e metamorfismo . Métodos magnéticos de rocha são usados ​​para obter uma imagem mais detalhada da origem do padrão listrado distinto em anomalias magnéticas marinhas que fornecem informações importantes sobre as placas tectônicas . Eles também são usados ​​para interpretar anomalias magnéticas terrestres em pesquisas magnéticas , bem como o forte magnetismo da crosta terrestre em Marte .

Minerais fortemente magnéticos têm propriedades que dependem do tamanho, formato, estrutura do defeito e concentração dos minerais em uma rocha. O magnetismo das rochas fornece métodos não destrutivos para analisar esses minerais, como medições de histerese magnética , medições de remanência dependentes da temperatura, espectroscopia Mössbauer , ressonância ferromagnética e assim por diante. Com esses métodos, os magnetistas de rocha podem medir os efeitos das mudanças climáticas anteriores e os impactos humanos na mineralogia (ver magnetismo ambiental ). Nos sedimentos, grande parte da remanência magnética é transportada por minerais que foram criados por bactérias magnetotáticas , de modo que os magnetistas de rochas fizeram contribuições significativas para o biomagnetismo .

História

Até o século 20, o estudo do campo terrestre ( geomagnetismo e paleomagnetismo ) e dos materiais magnéticos (especialmente ferromagnetismo ) se desenvolveu separadamente.

O magnetismo das rochas teve seu início quando os cientistas reuniram esses dois campos em laboratório. Koenigsberger (1938), Thellier (1938) e Nagata (1943) investigaram a origem da remanência em rochas ígneas . Ao aquecer rochas e materiais arqueológicos a altas temperaturas em um campo magnético, eles deram aos materiais uma magnetização termomanente (TRM) e investigaram as propriedades dessa magnetização. Thellier desenvolveu uma série de condições (as leis de Thellier ) que, se cumpridas, permitiriam que a determinação da intensidade do antigo campo magnético fosse determinada usando o método Thellier-Thellier . Em 1949, Louis Néel desenvolveu uma teoria que explicava essas observações, mostrava que as leis de Thellier eram satisfeitas por certos tipos de ímãs de domínio único e introduzia o conceito de bloqueio de TRM.

Quando o trabalho paleomagnético na década de 1950 deu suporte à teoria da deriva continental , os céticos foram rápidos em questionar se as rochas poderiam carregar uma remanência estável por eras geológicas. Os magnetistas de rocha foram capazes de mostrar que as rochas podem ter mais de um componente de remanência, alguns moles (facilmente removíveis) e alguns muito estáveis. Para chegar à parte estável, eles começaram a "limpar" amostras aquecendo-as ou expondo-as a um campo alternado. No entanto, eventos posteriores, particularmente o reconhecimento de que muitas rochas norte-americanas foram remagnetizadas generalizadamente no Paleozóico , mostraram que uma única etapa de limpeza era inadequada, e os paleomagnetistas começaram a usar rotineiramente a desmagnetização gradual para remover a remanência em pequenos pedaços.

Fundamentos

Tipos de ordem magnética

A contribuição de um mineral para o magnetismo total de uma rocha depende fortemente do tipo de ordem ou desordem magnética. Minerais magneticamente desordenados ( diaímanes e paramagnetos ) contribuem com um magnetismo fraco e não têm remanência . Os minerais mais importantes para o magnetismo das rochas são os minerais que podem ser ordenados magneticamente, pelo menos em algumas temperaturas. Estes são os ferromagnetos , ferriímãs e certos tipos de antiferromagnetos . Esses minerais têm uma resposta muito mais forte ao campo e podem ter uma remanência .

Diamagnetismo

O diamagnetismo é uma resposta magnética compartilhada por todas as substâncias. Em resposta a um campo magnético aplicado, os elétrons precessam (veja a precessão de Larmor ) e, pela lei de Lenz, eles agem para proteger o interior de um corpo do campo magnético . Assim, o momento produzido está na direção oposta ao campo e a suscetibilidade é negativa. Este efeito é fraco, mas independente da temperatura. Uma substância cuja única resposta magnética é o diamagnetismo é chamada de diamagnet.

Paramagnetismo

O paramagnetismo é uma resposta positiva fraca a um campo magnético devido à rotação dos spins do elétron . O paramagnetismo ocorre em certos tipos de minerais contendo ferro porque o ferro contém um elétron desemparelhado em uma de suas camadas (consulte as regras de Hund ). Alguns são paramagnéticos até zero absoluto e sua suscetibilidade é inversamente proporcional à temperatura (ver a lei de Curie ); outros são magneticamente ordenados abaixo de uma temperatura crítica e a suscetibilidade aumenta à medida que se aproxima dessa temperatura (ver lei de Curie-Weiss ).

Ferromagnetismo

Esquema de direções paralelas de spin em um ferromagneto.

Coletivamente, os materiais fortemente magnéticos são freqüentemente chamados de ferromagnetos . No entanto, esse magnetismo pode surgir como resultado de mais de um tipo de ordem magnética. No sentido estrito, o ferromagnetismo se refere à ordenação magnética em que os spins de elétrons vizinhos são alinhados pela interação de troca . O ferromagneto clássico é o ferro . Abaixo de uma temperatura crítica chamada temperatura de Curie , os ferromagnetos têm uma magnetização espontânea e há histerese em sua resposta a uma mudança no campo magnético. Mais importante para o magnetismo das rochas, eles têm remanência , para que possam registrar o campo da Terra.

O ferro não ocorre amplamente em sua forma pura. Geralmente é incorporado a óxidos de ferro , oxihidróxidos e sulfetos . Nestes compostos, os átomos de ferro não estão próximos o suficiente para a troca direta, então eles são acoplados por troca indireta ou superexcuta. O resultado é que a rede cristalina é dividida em duas ou mais sub-redes com momentos diferentes.

Ferrimagnetismo

Esquema de momentos antiparalelos desequilibrados em um ferriímã.

Os ferriímãs têm duas sub-redes com momentos opostos. Uma sub-rede tem um momento maior, então há um desequilíbrio líquido. A magnetita , o mais importante dos minerais magnéticos, é um ferriímã. Os ferriímãs costumam se comportar como ferromagnetos , mas a dependência da temperatura de sua magnetização espontânea pode ser bem diferente. Louis Néel identificou quatro tipos de dependência da temperatura, um dos quais envolve uma reversão da magnetização. Este fenômeno desempenhou um papel nas controvérsias sobre anomalias magnéticas marinhas .

Antiferromagnetismo

Esquema de direções alternadas de spin em um antiferroímã.

Os antiferroímãs , como os ferriímãs, têm duas sub-redes com momentos opostos, mas agora os momentos são iguais em magnitude. Se os momentos forem exatamente opostos, o ímã não terá remanência . No entanto, os momentos podem ser inclinados ( spin canting ), resultando em um momento quase em ângulos retos com os momentos das sub-redes. A hematita tem esse tipo de magnetismo.

Mineralogia magnética

Tipos de remanência

A remanência magnética é freqüentemente identificada com um tipo particular de remanência que é obtido após a exposição de um ímã a um campo em temperatura ambiente. No entanto, o campo da Terra não é grande e esse tipo de remanência seria fraco e facilmente substituído por campos posteriores. Uma parte central do magnetismo de rochas é o estudo da remanência magnética, tanto como magnetização remanente natural (NRM) em rochas obtidas a partir do campo e da remanência induzida em laboratório. Abaixo estão listados os remanescentes naturais importantes e alguns tipos induzidos artificialmente.

Magnetização termoremanente (TRM)

Quando uma rocha ígnea esfria, ela adquire uma magnetização termoremanente (TRM) do campo terrestre. O TRM pode ser muito maior do que seria se exposto ao mesmo campo à temperatura ambiente (ver remanência isotérmica ). Essa remanência também pode ser muito estável, durando sem mudanças significativas por milhões de anos. TRM é a principal razão pela qual os paleomagnetistas são capazes de deduzir a direção e magnitude do campo da Terra antiga.

Se uma rocha for reaquecida posteriormente (como resultado de soterramento, por exemplo), parte ou todo o TRM pode ser substituído por um novo remanescente. Se for apenas parte da remanência, é conhecida como magnetização termomanente parcial (pTRM) . Como vários experimentos foram feitos modelando diferentes maneiras de adquirir remanência, o pTRM pode ter outros significados. Por exemplo, também pode ser adquirido em laboratório resfriando em campo zero a uma temperatura (abaixo da temperatura de Curie ), aplicando um campo magnético e resfriando a uma temperatura , e então resfriando o resto do caminho até a temperatura ambiente em campo zero. ${\ displaystyle T_ {1}}$${\ displaystyle T_ {2}}$

O modelo padrão para TRM é o seguinte. Quando um mineral como a magnetita esfria abaixo da temperatura de Curie , ele se torna ferromagnético, mas não é imediatamente capaz de carregar uma remanência. Em vez disso, é superparamagnético , respondendo reversivelmente às mudanças no campo magnético. Para que a remanência seja possível, deve haver uma anisotropia magnética forte o suficiente para manter a magnetização próxima a um estado estável; caso contrário, as flutuações térmicas fazem o momento magnético vagar aleatoriamente. À medida que a rocha continua a esfriar, há uma temperatura crítica na qual a anisotropia magnética se torna grande o suficiente para evitar que o momento vagueie: essa temperatura é chamada de temperatura de bloqueio e referida pelo símbolo . A magnetização permanece no mesmo estado em que a rocha é resfriada à temperatura ambiente e se torna uma magnetização termomanente. ${\ displaystyle T_ {B}}$

Magnetização remanescente química (ou cristalização) (CRM)

Os grãos magnéticos podem precipitar de uma solução circulante ou ser formados durante reações químicas e podem registrar a direção do campo magnético no momento da formação do mineral. Diz-se que o campo é registrado por magnetização remanescente química (CRM) . O mineral que registra o campo comumente é a hematita, outro óxido de ferro. Leitos vermelhos, rochas sedimentares clásticas (como arenitos) que são vermelhas principalmente por causa da formação de hematita durante ou após a diagênese sedimentar, podem ter assinaturas CRM úteis, e a magnetostratigrafia pode ser baseada nessas assinaturas.

Magnetização remanente deposicional (DRM)

Os grãos magnéticos nos sedimentos podem se alinhar com o campo magnético durante ou logo após a deposição; isso é conhecido como magnetização remanente detrital (DRM). Se a magnetização é adquirida conforme os grãos são depositados, o resultado é uma magnetização remanente detrital deposicional (dDRM); se for adquirido logo após a deposição, é uma magnetização remanente detrital pós-deposicional (pDRM) .

Magnetização viscosa remanescente

A magnetização remanescente viscosa (VRM) , também conhecida como magnetização viscosa, é a remanência que é adquirida por minerais ferromagnéticos ao permanecer em um campo magnético por algum tempo. A magnetização remanente natural de uma rocha ígnea pode ser alterada por este processo. Para remover este componente, alguma forma de desmagnetização gradual deve ser usada.

Aplicações do magnetismo das rochas

Notas

Referências

links externos

• Instituto para o magnetismo do rock
• Grupo UC Davis FORC, introdução aos diagramas FORC