GE703_Aula02_1_Magnetometria

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Magnetometria 
Emilson Pereira Leite – DGRN/Unicamp 
Aplicações 
• Localização de objetos metálicos: tubos, cabos, equipamentos 
militares. 
• Geofísica rasa: sítios arqueológicos, passagens em minas, 
intrusões ígneas 
• Exploração mineral: Depósito de minerais metálicos, skarns, 
sulfetos massivos, carbonatitos, kimberlitos, intrusões 
porfiríticas e alteração hidrotermal; 
• Petróleo e água subterrânea: Profundidade do embasamento em 
bacias e detecção de falhas. 
• Mapeamento geológico: Identificação de falhas e limites 
geológicos, especialmente abaixo de coberturas sedimentares 
• Geotectônica: papel fundamental na descoberta e em análises 
atuais da teoria de Tectônica de Placas. 
Conceitos do magnetismo 
•Força magnética 
 
•Campo magnético 
 
•Momento magnético 
 
•Magnetização 
 
•Susceptibilidade magnética 
Força magnética 
Descrita por Coulomb em 1875, é conhecida como 
Lei de Coulomb Magnética 
 
p [Ampere x metro] = intensidade do pólo magnético. 
m = permeabilidade magnética. 
• O campo magnético H no pólo p2, gerado 
pela presença de p1 
 
 
 
 
 r é um vetor unitário que aponta do pólo p1 
para o pólo p2 
Campo magnético H 
m = pLn [A x m2] 
Momento de dipolo magnético 
Magnetização 
Momento magnético por unidade de volume 
Ampere
metro
p
V A L A
 
= = =    
m m
M n
Campo indução magnética B e 
Susceptibilidade Magnética 
 0
Newton
, =Tesla
Ampere×metro
1
 m
m m 
 
= =  
 
= 
M H B H
A magnetização M está relacionada aos campos H e 
B através de uma constante de proporcionalidade : 
 é uma constante adimensional, chamada susceptibilidade 
magnética, cujo valor depende das propriedades 
magnéticas do material. 
Causas da susceptibilidade magnética 
• Em nível atômico, os materiais tem um 
momento magnético resultante, causado por 
 
– (1) Rotação de elétrons em torno do núcleo 
 
– (2) Spin dos elétrons 
 
• Cada núcleo atômico pode ser imaginado como 
sendo um pequeno dipólo magnético com seu 
próprio momento magnético. 
• Diamagnéticos 
 
• Todos as camadas eletrônicas são completas, 
portanto o momento devido ao spin é nulo. 
 
• Na presença de um campo externo, o momento 
devido à rotação dos elétrons se opõe à esse campo, 
gerando uma susceptibilidade negativa e pequena. 
 
• Exemplos: sal, quartzo, feldspato, calcita, grafite, 
água. 
Classificação dos materiais magnéticos 
• Paramagnéticos 
 
• Possuem camadas eletrônicas incompletas 
(elétrons sem par). 
• Quando colocados num campo magnético 
externo, os dipolos correspondentes aos spins 
de elétrons sem par sofrem rotação, produzindo 
um campo no mesmo sentido do campo 
aplicado. 
• A susceptibilidade é positiva, porém fraca. 
• Exemplos: olivina, piroxênio, pirita, siderita, 
biotita. 
 
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• Ferromagnéticos 
 
• Contêm vários elétrons sem par. 
• O momento magnético de cada átomo é acoplado 
aos outros, formando domínios magnéticos, de 
forma que todos são paralelos. 
• Gerados por órbitas eletrônicas que se sobrepõem 
umas às outras. 
• Possuem uma magnetização espontânea mesmo 
na ausência de um campo externo. 
• Apresentam altas susceptibilidades. 
• Exemplos: cobalto, ferro e níquel. 
Domínios magnéticos 
http://www.evico-magnetics.de/magneto.html 
Microscópio óptico-magnético de Kerr 
• Ferrimagnéticos 
 
• Os domínios magnéticos são também anti-
paralelos, mas de magnitudes diferentes; 
• Susceptibilidades altas e positivas. 
• Exemplos: magnetita, pirrotita, titanomagnetita 
 
• Anti-ferrimagnéticos 
 
• Os momentos magnéticos dos domínios vizinhos 
são opostos uns aos outros e se cancelam. 
• Susceptibilidade aproximadamente nula. 
• Exemplo: hematita 
Perda da magnetização 
• A temperatura na qual o mineral perde completamente a 
sua magnetização é conhecida como temperatura de Curie. 
 
•Titanomagnetita 100-200o C 
•Titanomaghemita 150-450o C 
•Magnetita 550-580o C 
•Hematita 650-680o C 
Magnetização remanente 
• Adquirida durante a formação da rocha (MR). 
• Materiais ferrimagnéticos exibem este tipo de 
magnetização. 
• Permite mapear o deslocamento das placas 
litosféricas no passado. 
• Pode ser de origem termal, quando a rocha esfria 
passando pela temperatura de Curie (resfriamento 
de rochas vulcânicas). 
Histerese 
• Fundamenta-se na relação entre 
M e H que ocorre em minerais 
ferrimagnéticos. 
– M converge para um valor com 
o aumento de H na saturação. 
– Quando H decresce, M não 
segue a mesma curva. 
– Portanto, aparece um valor M 
remanente quando H volta para 
zero. 
Magnetização total 
M = Mi + Mr 
 
A magnetização total que gera o campo magnético 
medido pelo magnetômetro é a resultante vetorial das 
magnetizações induzida (Mi) e remanente (Mr). 
Propriedades magnéticas das rochas 
O campo geomagnético 
Pode ser aproximado por um dipólo que melhor se 
ajusta à Terra 
- Momento magnético de 8 ·1022 [A x m2] 
- Inclinação do eixo em relação ao pólo de 11,5o 
~70,000 nT 
~25,000 nT 
•Inclinação (I) 
 
•Declinação (D) 
 
•Campo total (B) B 
Elementos do campo geomagnético 
Variação diurna 
•Vento solar: corrente de partículas carregadas (e-, p+, 
núcleo de He) que produz um campo magnético 
interplanetário de ~6 nT. 
•Interação com o campo geomagnético → Magnetosfera. 
•Fortes correntes elétricas são induzidas na Ionosfera 
terrestre, ocasionando principalmente variações diurnas do 
campo geomagnético, da ordem de 10 a 30 nT. 
•Eventualmente, ejeções da massa coronal do Sol 
produzem tempestades magnéticas de amplitudes de até 
500 nT na superfície. 
Variação secular 
Deriva do pólo Sul 
Deriva do pólo Norte •Deriva polar 
•Decréscimo do momento magnético 
de dipólo de cerca de 5% por século. 
Reversões geomagnéticas 
• Intrusões magmáticas podem ser datadas 
através de medidas da magnetização 
remanente (paleomagnetismo). 
 
• Camadas magmáticas sucessivas registram 
as polaridades do campo geomagnético ao 
longo do tempo geológico. 
 
• Os dados mostram que, eventualmente, o 
campo geomagnético tem a sua polaridade 
revertida, isto é, o pólo norte magnético 
torna-se o pólo sul magnético e vice versa. 
Reversões geomagnéticas 
• As reversões ocorrem freqüentemente no 
tempo geológico, em média de 500 a 700 
mil anos, mas não há uma periodicidade 
definida. 
 
• Desde o fim do período Cretáceo (65 Ma), 
foram registradas 171 reversões do campo 
geomagnético. 
 
• Modelos computacionais de geodínamos 
autossustentáveis tentam explicar 
teoricamente as reversões (Glatzmaier & 
Roberts, 1995). 
 
Modelos de geodínamo de Glatzmaier & Roberts (1995) 
Contribuição Interna 
Contribuição Externa 
Fontes do campo geomagnético 
•97 %: Campo principal: Magnetização devido à 
correntes elétricas no núcleo externo da Terra. 
•1-2 %: Campo crustal: Magnetização remanente e 
induzida devido à rochas com alta susceptibilidade 
dentro da crosta terrestre. 
•1-2 %: Campo externo: Devido à partículas ionizadas 
na camada superior da atmosfera e ao vento solar. 
Intensidade Inclinação 
Declinação 
Campo geomagnético de referência (IGRF) 
Modelo matemático da componente interna! 
Anomalias magnéticas 
• Anomalia = valor medido – valor de referência. 
• Diagrama vetorial do campo geomagnético: 
Abordagem do Livro de Keary et al. (2002). 
• As componentes estão originalmente 
relacionadas por• Superpondo uma anomalia magnética ao 
campo B, teremos uma mudança ΔB na 
intensidade de B. 
• Substituindo a primeira equação na segunda 
(destacada em azul no slide anterior) e 
desprezando os termos de segunda ordem, 
resulta em 
 
 
 
• Similarmente, em termos dos ângulos temos 
• Esta abordagem pode ser utilizada para 
calcular a anomalia magnética causada por 
um pequeno polo magnético isolado, de 
intensidade p, definida como o efeito desse 
polo sobre um polo positivo unitário no 
ponto de observação. 
 
• O polo está situado a uma profundidade z, 
distância horizontal x e distância radial r do 
ponto de observação. 
 
p 
• A intensidade dessa anomalia é dada por 
 
 
• Por simplificação, admitindo que α = 0, 
podemos aplicar geometria euclidiana à 
figura anterior para obter as componentes 
Corpo alongado aproximado por dipolo 
• A anomalia magnética da maior parte dos 
corpos de forma regular pode ser calculada 
como o efeito combinado de uma série de 
dipolos paralelos à direção de 
magnetização. 
• Considere um desses magnetos elementares 
de comprimento l e seção transversal em 
um corpo com intensidade de magnetização 
M e momento magnético m. 
 
 
• Se a intensidade do polo do magneto for p , 
então p = m/l e substituindo esse resultado 
na equação acima, temos 
 
• Se é a área da extremidade do magneto 
e ɵ o ângulo entre o vetor magnetização e a 
direção normal à essa face 
 
 
• e portanto 
• A anomalia de um corpo irregular é 
calculada determinando-se a distribuição 
dos polos sobre a superfície do corpo. 
 
• Cada pequeno elemento da superfície é 
considerado e suas anomalias são 
calculadas. 
 
• Os efeitos são somados (integrados), 
produzindo anomalias devido ao corpo 
como um todo. 
Magnetômetro de precessão de prótons 
• Se o campo externo 
muda, os prótons vão 
precessionar para se 
alinharem ao novo 
campo. 
• A frequência de 
precessão é 
proporcional à 
intensidade do campo 
externo 
• Um núcleo de prótons exibe um momento angular, que gera um 
momento de dipólo magnético resultante. 
• O momento magnético do próton tenderá a se alinhar com o 
campo externo. 
Magnetômetro de precessão de prótons 
• Duas bobinas envolvendo um recipiente com um fluído rico em 
hidrogênio. 
• Uma para induzir um campo numa direção diferente do campo 
natural (Fa). 
• Outra para medir a voltagem causada pela precessão dos prótons. 
• Processo de medição: 
• A bobina externa é 
energizada com uma 
corrente elétrica, 
resultando num 
campo Fa que alinha 
os prótons. 
• Quando essa corrente é desligada, os prótons precessionam de volta 
para se alinharem com o campo natural, gerando uma corrente 
alternada na bobina receptora, em uma certa frequência. 
B B 
Magnetômetro de precessão de prótons 
• Vantagens: 
• Não é necessário alinhar o 
magnetômetro com alguma 
direção do campo natural. 
• Leve e de fácil manuseio. 
• Desvantagem: 
• Não mede componentes vetoriais 
do campo. 
• Precisão de medida: 
• 0,1 a 1 nT com intervalo de 
tempo de amostragem de 0,5 a 2s. 
• Chega a 0,1 nT de precisão se a 
resolução da frequência é de 
0,004 Hz. 
Magnetômetro de vapor alcalino 
• Conceitos físicos básicos: 
• Usa frequência de ressonância de um vapor alcalino. 
• Efeito Zeeman (subdivisão de níveis de energia do átomo 
devido à presença de um campo magnético). 
• Constituintes do magnetômetro: 
• Recipiente com vapor de césio ou rubídio. 
• Fonte de luz polarizada do mesmo elemento. 
• Bobina para gerar um campo magnético de radio-
frequência. 
• Detector de luz. 
 
Magnetômetro de vapor alcalino 
• Funcionamento: 
 
• Uma luz polarizada passando pelo vapor impulsiona os 
elétrons para as camadas de maior energia. 
 
• Uma corrente alternada fluindo na bobina gera um 
campo magnético de radiofrequência que entra em 
ressonância com a frequência de transição dos elétrons 
entre os subníveis de energia (Efeito Zeeman). 
 
• A frequência de ressonância é proporcional ao campo 
magnético externo. 
•Vantagens: 
• Não é necessário alinhar 
o magnetômetro com o 
campo externo. 
• Intervalo de tempo curto 
para realização das 
medidas 
•Desvantagens 
• Não mede componentes 
vetoriais 
• Precisão de medida: 
• 0,01 até 1 nT 
 
Magnetômetro de vapor alcalino 
Gradiômetro magnético 
• Mede-se a diferença entre duas medidas do campo 
magnético que são realizadas próximas espacialmente. 
• Divide-se o resultado pela distância entre os sensores. 
 
• Vantagens: 
• Não é necessário correção da variação diurna. 
• Alta resolução para feições próximas à superfície. 
 
• Desvantagens: 
• Não mede feições de longo comprimento de onda. 
• Remoção automática do regional. 
• Pode reduzir a razão sinal/ruído. 
• Onde for possível, conduzir o levantamento 
perperdicularmente a direção do corpo de estudo. 
 
• Estabelecer estação base para monitorar variações do 
campo geomagnético. Retornar à base no mínimo de 1 em 
1 hora para nova leitura ou implementar uma estação de 
medição contínua. 
 
• A resolução do levantamento estará diretamente 
relacionada ao espaçamento entre pontos de medida. 
Levantamentos terrestres 
Levantamentos aéreos 
• Mesmo princípio dos levantamentos 
terrestres, com exceção de que as linhas 
tem espaçamentos maiores. 
• Bacias sedimentares 
•4 km de espaçamento e 1 km de altura 
de vôo. 
• Áreas de exposição do embasamento 
(exploração mineral) 
•Espaçamento de 10-50 m e 30-50 m de 
altura de vôo. 
• Pesquisas ambientas rápidas: 
•Espaçamento de 200 m e 100-500 m de 
altura de vôo. 
Levantamentos aéreos 
• Linhas sobrepostas com pontos de 
cruzamento: 
• Fornece informação 3D em 
subsuperfície. 
• Permite correção diruna. 
• Elevação: 
• Altímetro de radar ou laser. 
• GPS diferencial para alguns 
levantamentos por helicóptero. 
• Posição: 
• Fotos aéreas e radares em 
levantamentos antigos. 
• GPS em levantamentos atuais. 
Correção diurna 
Dia calmo 
Dia de 
tempestade 
• A Variação diurna do campo 
geomagnético é causada pelo vento 
solar que perturba a ionosfera. 
• Mudanças rápidas ou lentas. 
• Correções pequenas durantes 
períodos calmos, e grandes em 
períodos de tempestades magnéticas 
• Durante uma tempestade 
magnética, o levantamento é 
interrompido. 
• Correção da variação diurna: 
• Repetição de leituras em 
uma estação base ou por 
linhas de cruzamento. 
• Estação base de registro 
contínuo. 
• International Geomagnetic Reference Field 
 
• Correção da variação do campo em função da latitude 
e longitude. 
 
• Se o levantamento é conduzido sobre uma área muito 
grande, então é útil a correção devido às variações 
relativas à posição: 
• Gradiente norte-sul é de cerca de 2 a 5 nT/km 
• Gradiente leste-oeste é de cerca de 0 a 2 nT/km. 
• Utilizar um modelo IGRF. 
Correção do campo principal (IGRF) 
 
• O máximo gradiente vertical, devido à altitude do 
ponto de observação, é de ~0,03 nT/m nos pólos e de 
~0,01 nT/m no equador. 
 
• Portanto uma correção de terreno raramente é aplicada 
e somente importante quando a medida é realizada 
próxima de um terreno muito íngrime que contém 
material de alta susceptibilidade magnética. 
Correção topográfica 
Remoção do campo regional 
• Primeiro subtrair o 
IGRF. 
 
• Depois ajustar uma 
curva ou superfície para 
obtero campo regional 
e removê-lo dos dados.