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1 Geofísica Básica Prof. George Sand França MAGNETISMO TERRESTRE: Características gerais do campo geomagnético; Origem e variações do campo principal;Campos externos; Anomalias geomagnéticas (campos locais e magnetismo das rochas) e Paleomagnetimo. 2 Introdução Chineses já usavam a bússola por volta de 1100 d.c. 1269 – Petrus Peregrinus de Maricourt – Esculpiu magnetita numa forma esférica, da qual aproximava pequenos ímãs. Desenhou sobre a superfície esféricas as direções indicadas por eles, obtendo as linhas que circundavam a esfera e interceptavam-se em dois pontos, da mesma forma que as linhas de longitude interceptam-se nos polos (Polos do ímã) – tratado De Magnete Médico Inglês - William Gilbert – Repetiu e ampliou diversas experiências, reunindo tudo conhecimento. (1600 - De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure ) 3 Introdução A terra era um grande ímã. 1838 – Carl Friedrich Gauss Começou a fazer medidas sistemáticas da intensidade do campo geomagnético. E mostrou que 95% do Campo Magnético da Terra(CMT) originam-se no seu interior e somente uma pequena parte provém de fontes externas. Gilbert – CMT é semelhante ao da esfera de magnetita, isso é equivalente dizer que, a terra é uma esfera uniformemente magnetizada. Como à de um ímã de barra (dipolo) 4 dipolo Fonte: Understanding the Earth Fig.:21.11 5 Declinação? Imaginamos que existe no centro Terra um dipolo ou ímã de barra. O eixo do dipolo geocêntrico está próximo ao eixo de rotação e faz um ângulo de aproximadamente de 11,5º. Por esta razão a agulha não aponta para o norte, mas sua direção faz um ângulo com a direção N-S. Esse ângulo de desvio da agulha é a Declinação magnética. Fonte:Decifrando a terra 6 Declinação 7 8 International Geomagnetic Reference Field (IGRF) http://www.ava.fmi.fi/MAGN/igrf/applet.html 10 Intensidade O CMT não é um dipolo perfeito e cerca de 5% desse campo é irregular (não- dipolar). A conjugação desse dois campos provoca desvios nas linhas de força do CMT. O campo não-dipolar é diferente para cada região da Terra, resultando numa distribuição de INTENSIDADE diferente daquela esperada pelo campo dipolar. O CMT que tem origem no núcleo externo também é chamado de Campo Magnético Principal (CMP). A origem é dos fenômenos físicos que ocorrem na ionosfera e no exterior da terra – Campo Externo (CE). A terceira origem tem por fonte a interação com as formações geológicas na crosta (eventualmente parte do manto superior) – Campo Crustal Intensidade fraca do CMT – 50000 nT Unidade gamma = 1 nT 11 Intensidade e susceptibilidade de magnetização Intensidade de Magnetização Um material colocado na presença de um campo magnético pode magnetizar-se. Momento magnético de cada átomo m Em geral, m é proporcionalmente ao campo externo e com a mesma direção. De certa forma, é um processo de alinhamento dos dipolos magnéticos do material. Daí denominar-se, também, polarização magnética. Magnetização! I=M = ∑mi/V, em que V é o volume (A m2) Sempre que discutirmos o campo magnético da Terra temos que ter presentes os dois parâmetros densidade e Intensidade - B e H. 12 Indução magnética Como visto, um material magnético sob a ação de um campo externo, torna-se magnetizado. O campo no seu interior passa a ser a soma do campo externo mais o campo associado à magnetização adquirida. O campo magnético total é a indução magnética, é representado por B=0(H+M)=0(1+)H=0H é a permeabilidade magnética em que o termo H à corresponde à componente induzida - que existe apenas na presença de um campo magnético ambiente - e o termo MR à componente remanescente da magnetização, que corresponde à componente permanente da magnetização. 13 Tipos de magnetismo Diamagnetismo. Materiais com susceptibilidades negativas são diamagnéticos e constituem a maior parte dos casos. – Prevalece somente quando o momento magnético atômico liquido é nulo. – Característico dos átomos com cujos orbitais estão completos. – Ex.: grafite, gesso, mármore, quartzo e sal. Paramagnetismo. Oposto ao diagmagnetismo. – Ocorre quando o momento magnético atômico liquido não é nulo. – É típico com os átomos cujos orbitais não estão completos (emparelhados). – Ex.: séries Ca-Ni, Nb-Rh, La-Pt, Th-U. 14 Tipos de magnetismo Ferromagnetismo. Ferro, cobalto e níquel são elementos nos quais as interações magnéticas são tão fortes que provocam um alinhamento dos momentos magnéticos em grandes regiões ou domínios. – Enquanto as susceptibilidade diamagnéticas e paramagnéticas são da ordem de 10-3, no ferromagnetismo do Fe, Co e Ni são 106 maiores. – Aparentemente, minerais ferromagnéticos não existem na natureza. 15 Tipos de magnetismo Ferrimagnetismo. – São materiais cujos subdomínios dividem- se em dois grupos alinhados em oposição, mas apresentando um momento liquido não nulo. – Um grupo é mais forte que o outro mas ambos possuem a mesma quantidade de domínios. – Ex.: magnetita, titanomagnetita e ilmenita, óxidos de ferro e titânio. – É maior o número de subdomínios em um grupo que no outro. Ex.: pirrotita. 16 Tipos de magnetismo Antiferromagnetismo. Se os momentos magnéticos líquidos dos subdomínios paralelos e antiparalelos cancelam-se mutuamente no material, a susceptibilidade resultante é muito pequena, da ordem dos valores dos paramagnéticos. – Exemplo: hematita 17 Tipos Básicos de Comportamento Magnético das Rochas. A medida da importância relativa da magnetização remanescente em relação à magnetização induzida é dada pela razão de Koenigsberger : Q=M/H O valor de não é necessariamente constante para uma dada substância, podendo ser função do valor do campo H. Assim apresentam-se, no próximo slide, nas tabelas uma gama de valores de , para cada rocha ou mineral, assim como o seu valor "médio", que corresponde a uma média pesada de observações laboratoriais. 19 ROCHAS Minerais 20 Magnetização remanente Sabemos que, minerais com ferro, ao serem submetidos a um campo magnético, comportam-se como ímãs permanentes, i. é. materiais retêm uma magnetização que é chamada de remanescente ou remanente. (mesmo depois de cessar o CM externo) Ferromagnéticos. Óxidos de Ferro magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3) Magnetização remanente isotérmica (IRM): com a temperatura constante, a rocha é exposta a um campo externo por um curto período de tempo, tais como aqueles provocados pelo relâmpagos. São magnetizações localizadas, apresentam alta intensidade e distribuem-se irregularmente. Magnetização remanente viscosa (VRM): adquirida de forma secundária pela longa exposição a um campo externo (como o da Terra). Magnetização termo remanente (TRM): adquirida pelas rochas durante o resfriamento a partir de uma temperatura superior a de Curie nas condições atmosféricas normais, porém na presença de um campo externo. 21 Magnetização remanente Magnetização remanente deposicional ou detrítica (DRM): grãos de minerais magnéticos com remanência adquirida previamente podem orientar-se com o campo da Terra à medida em que decantam permeando os sedimentos. Magnetização remanente química ou de cristalização (CRM): esta magnetização é adquirida quando ocorre a nucleação e o crescimento (ou recristalização) de finos grãos, devido a certas reações químicas, abaixo da temperatura de Curie), sob a ação de um campo ambiente. Magnetização piezoremanente (PRM): geralmente adicional, éadquirida quando se aplica ou retira tensões mecânicas sob a ação de um campo ambiente a temperatura constante. 22 Intensidade e susceptibilidade de magnetização Susceptibilidade O grau com que a polarização magnética ocorre com um material característico. Quando a intensidade de magnetização varia linearmente com a ação do campo magnético externo, temos M = H, em que é susceptibilidade e representa a “facilidade” com que uma substância pode ser magnetizada e produzir, por consequência, o seu próprio campo magnético. 23 International Geomagnetic Reference Field (IGRF) 24 International Geomagnetic Reference Field (IGRF) 25 Inclinação Inclinação magnética – é o ângulo que a agulha faz com o plano horizontal. Os polos magnéticos estão localizados a aproximadamente 78ºN 104ºW e 65ºS 139ºE. (fonte: decifrando a terra). 76ºN 101ºE e 66ºS 141ºW (em 1990) Não são diametralmente simétricos. A melhor representação do CMT é de um dipolo cujo o eixo esta deslocado ao centro da Terra de 490 km (Dipolo excêntrico) USP/SC, Programa educ@r 26 Inclinação McLean, S., S. Macmillan, S. Maus, V. Lesur, A. Thomson, and D. Dater, December 2004, The US/UK World Magnetic Model for 2005-2010, NOAA Technical Report ESDIS/NGDC-1. 27 International Geomagnetic Reference Field (IGRF) 28 Vetorial do Campo magnético Sendo o CMT (F) um campo vetorial, a sua medição exige o conhecimento da sua amplitude e dos dois ângulos - declinação e inclinação - ou a medição das suas três componentes num referencial conhecido. F= (H 2+Z2 )12=( X2+Y 2+Z 2)1/2 D=arctg(YX ) ,I=arctg(ZH ) 29 Campo magnético terrestre Observar que os elementos geomagnéticos não coincidem com os geográficos. Os polos e equador magnético referem-se ao dipolo magnético no interior da Terra que melhor reproduz os dados. Os polos e equador magnético definidos segundo a inclinação do campo magnético. http://www.ingv.it/geomag/ 30 Campo magnético de um dipolo. Como a própria Terra pode ser considerada como um dipolo magnético, A TERRA é um ímã. O campo magnético de um dipolo é representado de forma simples a partir da consideração do potencial escalar: é o momento magnético dipolar. V dip= μ⃗⋅⃗r 4πr3 B⃗=−μ0 gradV dip , B⃗= F⃗ q e F= qq0 4πr3 r⃗ Bθ=− μ0 r ∂V dip ∂ θ ,Br=−μ0 ∂V dip ∂r B⃗=− μ0 4π μ r3 [ 3( μ̂⋅r̂ )r̂− μ̂ ] ,r≠0 31 Campo magnético de um dipolo No equador magnético. O campo tem valor e a é o raio da terra (6371 km). O CMT não é exatamente dipolar. Contudo, o dipolo magnético que melhor se aproxima do CMT, no sentido dos mínimos quadrados, tem de momento dip=7,856 X 1022 Am2. O eixo desse dipolo afasta-se do eixo de rotação da Terra, sendo o ângulo entre os dois ~ de 11,5º. B⃗=− μ0 4π μdip a3 32 Campo magnético de um dipolo A expressão do CM de um dipolo orientado segundo o eixo de rotação da Terra é escrita da forma, já que a Terra é ~ esférica. Então é conveniente utilizar as coordenadas esféricas. Três informações: a distância radial (r), a colatitude () e a longitude (). Para coordenadas esféricas representar o CM de um dipolo (à semelhança do que faremos para o CMT), então temos a seguinte situação geométrica (figura na página 12) O CM B apresenta uma simetria axial e apresenta uma componente longitudinal Bnula. B⃗=− μ0 4π μdip a3 33 O valor das componentes radial e co-latitudinal pode ser obtido usando a expressão da página 16, desde que se tenha em atenção que o ângulo entre a direção do eixo e o raio vetor do ponto de observação é a co- latitude . Pólo norte (=0) o campo é vertical e equador magnético, o campo é horizontal. Se remove o CMT, obtemos assim o CM não-dipolar. B θ= μμ0 senθ 4πr3 ,Br= 2 μμ0 cosθ 4πr3 34 Relação entre Declinação e Latitude? tan I= ZH =2tan λ λ=90−θ Declinação é o azimute da componente horizontal do campo magnético Inclinação (I) é o ângulo entre o campo magnético e a horizontal Latitude magnética 35 Exercício Medidas magnéticas foram realizadas sobre um basalto que estava a 47ºN 20ºE. O ângulo de inclinação da magnetização remanescente é 30º. Calcule a latitude magnética desse sítio no tempo em que o basalto foi magnetizado? 36 Migração dos pólos Os pólos magnéticos migram a uma velocidade de 0,2º por ano ao redor do pólo geográfico. Logo, uma declinação magnética de um local muda continuamente, aumentando e diminuindo. Em cada cinco ano, há correção da declinação. A intensidade também varia com períodos lentos (Variação secular) e de origem é interna a Terra e deve-se aos processos geradores que ocorrem no núcleo da Terra. Decifrando a terra Dawson & Newitt, 1982 37 Migração dos pólos Dadas a declinação e inclinação remanescente (Dr, Ir) e a localização geográfica (λs, s) de uma amostra, determinar as coordenadas geográficas do paleo pólo (λp, p), no sistema de coordenadas geográficas presente. P = m tan Intensidade=2cot p sen λp = sen s cos p + coss cos p cos D, tan I=2 tan p=s para cos psen λs sen λp p=s 10 para cos p<sen λs sen λp sen sen p sen D/cos p Esses pólos localizados são chamados pólos geomagnéticos virtuais (PGV ou VGP). Curva de trajetória da migração polar. Lowrie – fig 5.64 38 Exercícios Calculando a latitude e longitude do pólo paleomagnético. Se o ângulo de declinação para o basalto (que estava a 47ºN 20ºE) é 80º e a inclinação é 15º. Calcule a latitude e longitude do paleomagnético. 39 Magnetosfera A região ocupada pelo CMT. Apesar de fraco, o CMT ocupa um volume muito grande, com suas linhas estendendo- se a distâncias de 10 a 13 raios terrestres. Característica assimétrica em relação a terra. Essa forma é consequência do vento solar. O vento solar gera um campo de intensidade ~ 5 nT. (Backus et al. 1996) http://www.3bmeteo.com/giornale 40 Magnetosfera Entre o Sol e a terra, está preenchido por um gás ionizado constitui de partículas com diferentes energias, que são emitidas pelo Sol e por isso chamado de Ventos Solar. Velocidade de 300 a 500 km/s. Blindagem – CMT – impedindo que as partículas solares atinjam a superfície terrestre. Erupções solares – há emissões de grande quantidades de partículas de alta velocidade. Parte é bloqueada pelo CMT Nas regiões polares – onde as linhas de força do CMT colocam-se perpendicularmente a superfície da Terra, as partículas penetram ate atmosfera superior ou ionosfera inferior (60 a 100 km de altitude) conduzidas pelas próprias linhas de campo. 41 Ionosfera Camada mais externa da atmosfera da terra É uma camada eletricamente condutora (íons e outras partículas carregadas) Usada na radiocomunicação, propagando e refletindo ondas de rádio. Condutividade altera quando é invadida por um fluxo de radiação solar mais intenso ~ 80 nT. 42 Dependendo da intensidade da atividade solar, faz-se distinção entre dias magneticamente calmos e ativos. Tempestades magnéticas. Ocorre dia após o aparecimento das chamas solares, que são emissões luminosas de grandes proporções da região mais externa do Sol. São frequentes (podem ocorrem várias vezes durante um mesmo mês) Variação do Campo magnético 43 Variação do Campo magnético Tempestade pode ser acompanhada por auroras boreais ou austrais. É causada pela emissãode luz da atmosfera superior numa forma parecida com uma descarga elétrica. Variação Diurna Efeito de maré, gerado pelo fato do eixo de dipolo geomagnético não estar inclinado em relação à direção do vento solar. 44 Levantamentos magnéticos Os levantamentos magnéticos realizam-se para a determinação das variações de comportamento magnético da crosta terrestre, o que pode ser interpretado como variações físicas e químicas dos materiais geológicos. Os levantamentos magnéticos são habitualmente realizados com Magnetômetros de Prótons ou por magnetômetros de vapor de Césio, e a grandeza medida é a amplitude do “campo total”. O CMT é variável com o tempo e o espaço, e não sendo possível a realização de medições simultâneas numa área extensa, torna-se necessário estabelecer um modelo de variação temporal (já que a variação espacial é o objeto do nosso estudo) e utilizar esse modelo para a “redução” das observações. A forma mais simples de resolver o problema é a utilização de um magnetômetro adicional como “estação fixa” e admitir que a variação é idêntica em todos os pontos do levantamento. Neste caso, basta utilizar o valor medido na estação fixa para a diferença entre o campo médio e o campo observado em cada instante e adicioná-la a todos os valores medidos. 45 Satélites Magnéticos Até ao fim dos anos 70 as descrições sistemáticas do CMT foram obtidas a partir do tratamento matemático dos valores registrados nos Observatórios Magnéticos. Não há observatórios nos oceanos (70% da superfície do planeta) e dificuldade da manutenção de medições contínuas em áreas extensas de África e da Ásia. Um número significativo de satélites artificiais colocados em órbita terrestre que foram equipado com magnetómetros escalares e/ou vetoriais. Os satélites da série POGO (Polar Orbiting Geophysical Observatory) e o satélite MAGSAT (MAGnetic field SATellite) permitiram uma cobertura significativa do globo e uma precisão suficiente para uma descrição das diferentes componentes do CMT. 46 Satélites Magnéticos O satélite MAGSAT foi lançado pela NASA em 1979 tendo operado durante cerca de 7 meses a uma altitude entre os 325 e 550 km, com o emprego de dois magnetómetros, um escalar (Césio) e outro vetorial (fluxgate) com uma precisão de, respectivamente, 1,5 e 3,0 nT. Os resultados alcançados durante este período permitirem melhorar de forma sensível a precisão das descrições globais do CMT; em particular no que diz respeito ao estudo do campo principal - originado pelo núcleo líquido da Terra - e ao estudo do campo externo da Terra. http://www.nasm.si.edu/ceps/etp/earth/img/G-magsat.T.jpg 47 Mapas Magnéticos e Anomalias magnéticas. Cartas isomagnéticas Contornos são chamados de linhas isodinâmicas. O mapa de intensidade total mostra que CMT é mais complicado do que um dipolo geocêntrico. Retirar o CMT (através do IGRF), retirar o CE (médias temporais sobre os dados observados). O valor residual, supomos integrar a influência crustal e denominada de ANOMALIA MAGNÉTICA. Estudos localizados, os contornos aparecem superpostos por campos localizados devido a fontes magnéticas na crosta da terra. 54 Geração do Campo magnético O que poderia causar o magnetismo? Não – minerais magnéticos não são suficientes para explicar a intensidade do CMT. E não são móveis para explicar mudanças periódicas na direção e intensidade. Ondas sísmicas mostra que parte do núcleo da Terra é fluido. O movimento desse fluído metálico gera Correntes elétricas que, por sua vez, induzem o Campo Magnético. De que forma o fluído metálico flui no núcleo? Que fonte de energia coloca o fluído em movimento? Como esse movimento dá origem a um Campo magnético? 55 Geração do Campo magnético Núcleo Esfera gigante metálica –Sob condições normais o núcleo fluido conduz calor e eletricidade, tem a mesma viscosidade da água. Com raio médio de 3485 km. Densidade(), entre 9 e 12 vezes a da água. De acordo com o e combinando com as hipóteses acerca da origem do Sistema Solar sugerem que o núcleo é composto de Ferro e Níquel O núcleo interno é sólido! Qual é a teoria viável de Geração do CMT? 56 Dínamo auto-sustentável Bullard e Elsasser, 1950. Depois de haver sido disparado por um campo magnético que poderia ter sido fraco, continuou produzindo seu próprio campo sem suprimento de campo externo. O líquido metálico do núcleo terrestre, movendo-se de maneira apropriada, agiria como um dínamo, precisando somente de um suprimento continuo para manter o material em movimento. 57 Geração do Campo magnético Resfriamento! Causaria o movimento do fluido, com a cristalização e fracionamento de fases minerais densos, liberando a energia potencial. Pode estabelecer um sistema de convecção por T e composição do fluido que devem ser mantidas para que o movimento não cesse. Força de Coriolis: A força devido movimento da Terra. Exerce sobre o fluido do núcleo e essa força responsável pelos movimentos ciclônicos da ar e correntes marinhas. A massa perpendicular ao seu movimento, fazendo com que, no caso de um fluido condutor do núcleo, estabeleçam-se espiras de material condutor que vão gerar CM com resultante ~ paralela ao eixo de rotação. 58 Campo magnético da Terra! O principal campo geomagnético gerado pela ação de dínamo em alta temperatura, no núcleo líquido externo. Na superfície terrestre, as linhas de campo dipolar são orientadas para fora no SUL e para dentro no hemisfério Norte. (Martin Rother GFZ, Potsdam) 59 Magnetismo da Terra A história magnética da terra não se perde completamente, mas fica registrada como um magnetismo fóssil nas rochas. Paleomagnetismo O estudo da direção da magnetização remanescente e tentar reconstruir o passado magnético da Terra. Campo magnético significativo no mínimo 2,7 bilhões de anos. Rochas apresentam magnetização inversa à esperada. Datações radiométricos, associadas a determinações de polaridade demonstra que tem havido intervalos nos quais as rochas de todas as regiões da Terra igual à polaridade atual e, alternadamente, intervalos em que todas as rochas adquiriram polaridade opostas. 60 Magnetismo da Terra 1960 - Escala de reversões O CMT permanece com uma certa polaridade durante intervalos entre 105 a 107 anos e para completa uma transição de polaridade são necessários 103 a 104 anos. 61 Historia gravada! O nordeste do Oceano Pacífico, Crosta Oceânica, mostrou um padrão de anomalia magnéticas lineares, diferentes do continentes. Padrão com faixas de polaridades alternadas e dispostas simetricamente em à relação a CADEIA MESO-OCEÂNICA. 62 Historia gravada! 1963 – Vine & Mathews Padrão simétrico - Devido a expansão do assoalho oceânico e das reversões do CMT. O material do manto fundido, ascendendo em corrente de convecção através da cadeias meso-oceânicas, esfria ao atingir a superfície. Temperatura de Curie mantém a magnetização ao atingem essa temperatura. Magnetita=580ºC. Nova rocha é magnetizada, constituindo um novo segmento do assoalho oceânico, que lentamente afasta-se da cadeia, enquanto por ela um novo material ascende. Nessa fase, se o CMT inverteu sua polaridade, então uma nova faixa do assoalho, desta vez com a polaridade invertida. 63 Magnetismo X Deriva 1950 Resultados paleomagnéticos reviveram o interesse da deriva continental. Alfred Wegener propôs em 1910 a PANGEA. REJEITADA pela comunidade científica da época. A magnetização remanescente de rochascom a mesma idade e magnetizadas simultaneamente pelo mesmo CM deve indicar a mesma localização para os pólos magnéticos associado a esse campo indutor. Entretanto, rochas antigas e de mesma idade, provenientes de distintos continentes, indicam pólos diferentes. O CMT só pode ser representado por um único dipolo magnético. Existência de vários pólos está descartada! A explicação para vários pólos está baseada no deslocamento dos continentes que modifica o orientação da magnetização registradas em suas rochas, em relação ao pólo geográfico. Pólos magnéticos de mesma idade e pertencentes a diferentes blocos continentais podem ser deslocados até que coincidam. 64 continuação Podemos através da analise de rochas extraídas no continentes também se deslocam, chegando-se a reconstruções paleogeográficas. O uso dos dados paleomagnéticos para o estudo da deriva e evolução crustal é em termos da posição de pólos poleomagnéticos. Pólos paleomagnéticos para períodos geológicos consecutivos e, de um continente, são interligados para produzir um caminho ou uma curva de deriva polar. tan I = 2 tan() , é a latitude paleogeográfica Assim é possível avaliar quantativamente a paleolatitude que se encontrava uma determinada região. 65 McElhinny, M. W., Palaeomagnetism and plate tectonics, Cambridge EarthSciences Series, 1973, pp 1-358. Understand the earth, Press, Siever, Grotzinger e Jordan, 2006. 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