SUSCEPTIBILIDADE MAGNÉTICA: GENERALIDADES

Quando um material é exposto a um campo magnético H, adquire uma magnetização induzida, M. A magnetização induzida e o campo magnético H estão relacionados através da susceptibilidade magnética K:

M=KH

K é um escalar se o corpo é isotrópico. Se o corpo é anisotrópico a susceptibilidade

magnética K é representada por um tensor simétrico de 2a ordem da forma: Mi=KijHj(i,j= 1,2,3)

em que Mi traduz a magnetização na direcção i, Hj representa o campo indutor efectivo na direcção j .

A superfície representativa daquele tensor é um elipsóide triaxial (Fig. 4.1). Medindo a magnetização induzida em três direcções ortogonais acede-se aos termos diagonais e simétricos do tensor.

Fig.4.1 O elipsóide da anisotropia da susceptibilidade magnética, seus eixos principais e sua orientação numa amostra e no espaço Qover 1986).

A diagonalização desta matriz permite obter 3 vectores Kll, K22, K33. A intensidade desses 3 vectores próprios e a sua orientação (direcção e inclinação) no referencial geográfico fornecem os semi-eixos do elipsóide da Anisotropia da Susceptibilidade Magnética (ASM) tal que: K11=K1 ou Krwx;K22=K2 ou Kirt,

K33=K3 ou Kmin com Kmax >Kint >Kmm.

As unidades de campo magnético e de magnetização induzida são as mesmas, A/m (ampere por metro, no Sistema Internacional, S.L), o que converte a susceptibilidade magnética numa grandeza adimensional. No presente trabalho serão sempre utilizadas unidades no Sistema Internacional (S.L); para a susceptibilidade magnética a conversão entre os dois sistemas é dada por:

K(c.g.s.)=K(S.I.) x (í/44

4.2.1 Os diferentes estados magnéticos

O movimento dos electrões num átomo cria momentos magnéticos elementares que traduzem o magnetismo da matéria. Em tomo do núcleo, constituído por protões e neutrões, os electrões definem trajectórias que constituem orbitais bem definidas para cada átomo. Além deste movimento orbital em torno do núcleo, os electrões "rodam" em torno de um eixo que passa pelo seu centro; este é o movimento conhecido por "spin".

Uma partícula carregada, quando em movimento, origina uma corrente. Assim, devido ao movimento orbital dos electrões surge uma corrente eléctrica que origina um momento magnético. Analogamente, uma vez que o electrão é uma partícula com massa e dimensões finitas, o movimento de "spin" do electrão também origina um

momento magnético. Assim temos a considerar dois momentos cinéticos no electrão: o momento orbital e o momento de "spin" (Stacey & Banerjee 1974).

Cinco estados magnéticos principais, função da disposição dos momentos magnéticos, podem-se considerar estando representados esquematicamente na Fig.4.2.

Paramagnetism)

FerromagretismD s.l.

I 1

Feromag. Fenimag. Ferromag. Gfcil Antiferramag.

}; i t w M WH

Magpatização Espontânea

Fig.4.2 Disposições dos momentos elementares para os diferentes tipos de ordem magnética e campo magnético induzido nulo.

Diamagnetismo

Os materiais diamagnéticos, em resposta à aplicação de um campo magnético interno H, adquirem uma magnetização induzida Mi oposta ao campo aplicado. Essa magnetização depende linearmente do campo aplicado e desaparece quando o material deixa de estar sob a acção do campo //(Fig. 4.3). Os materiais que exibem um comportamento deste tipo são compostos por átomos com momento magnético resultante nulo e apresentam camadas electrónicas completamente preenchidas e muito internas. Assim a magnetização induzida que adquirem, é explicada pela variação no movimento orbital dos electrões, quando sob a acção de um campo externo. A susceptibilidade diamagnética, é negativa, tem um valor médio de -14 uSI e é independente da temperatura. Como exemplo de minerais diamagnéticos, podem referir-se o quartzo, a calcite e os feldspatos.

Paramagnetismo

Os materiais paramagnéticos contêm átomos com momentos magnéticos atómicos não nulos devido à existência de "spins" de electrões não-emparelhados (sem que haja interacção entre momentos magnéticos adjacentes). Assim há a possibilidade de alinhar os momentos magnéticos individuais, ao fazer actuar um campo magnético.

O alinhamento dos momentos magnéticos produz uma magnetização induzida paralela à direcção do campo aplicado. Tal como nos materiais diamagnéticos, a magnetização induzida reduz-se a zero quando o campo magnético é removido (Fig. 4.3).

A susceptibilidade paramagnética é geralmente fraca, da ordem dos IO"4 a IO"3 SI.

Os minerais paramagnéticos mais tipicos são os silicatos que contêm iões Fe2+, Fe3+

e Mn2+ na sua estrutura, como por exemplo, a biotite, a clorite, as anfíbolas, as

piroxenas, as granadas, a cordierite e a turmalina.

Antiferromagnetismo

A susceptibilidade antiferromagnética é próxima da susceptibilidade paramagnética. O momento magnético resultante é nulo pois os momentos são antiparalelos e com a mesma intensidade, mas aplicando um campo magnético a susceptibilidade antiferromagnética é positiva embora também se anule quando o campo H é retirado (Fig. 4.3). A magnetização diminui com o aumento da temperatura tornando-se nula para uma temperatura crítica designada por Temperatura de Néel. Como exemplos de minerais com este tipo de comportamento temos a goethite e a pirrotite hexagonal.

Ferromagnetismo s.l.

Este termo é aplicado a materiais que possuem momento magnético espontâneo (magnetização espontânea) mesmo na ausência de um campo magnético externo. Os momentos magnéticos interactuam fortemente e esta forte interacção entre

momentos magnéticos provoca uma tendência para o alinhamento segundo uma direcção criando uma ordem magnética.

Distinguem-se três estados de ordem magnética de maior ou menor intensidade do momento magnético resultante (Fig.4.2). Ferromagnetismo (os momentos são paralelos e no mesmo sentido, ex: ferro), ferrimagnetismo (os momentos são antiparalelos e de intensidade diferente, ex: magnetite, pirrotite monoclinica) e ferromagnetismo débil ou "canted antiferromagnetism" (momentos magnéticos subparalelos, ex: hematite).

M

Ferromagnetismo s.l.

atmpofraw ampofarte

Fig.4.3 Curvas de magnetização induzida em função do campo aplicado, para os diferentes tipos de comportamento magnético ([over 1986; Gleizes 1992).

Nos minerais ferromagnéticos s.l., há uma magnetização máxima que é a chamada magnetização de saturação, Ms. Isto significa que, num processo isotérmico, aumentando o campo magnético para um valor superior àquele que foi necessário para atingir Ms, não resulta num aumento de magnetização. Nestes

materiais, a remoção do campo externo, não é acompanhada pelo cair da magnetização para zero. Pelo contrário, após a remoção do campo externo, a magnetização não se anula, mas o material retém um registo derivado do campo aplicado. Esta magnetização que o material adquire, que é o registo do campo aplicado, é a magnetização remanescente Mr (Fig. 4.3).

O trajecto da magnetização como função do campo magnético aplicado é a chamada curva de histerese. O comportamento dos minerais ferromagnéticos si é fortemente dependente da temperatura, existindo uma temperatura crítica para a qual a magnetização diminui para zero, é a chamada Temperatura de Curie. Acima desta temperatura comportam-se como paramagnéticos.

A susceptibilidade duma amostra, sob a acção de um campo fraco e à temperatura ambiente, é portanto a contribuição de diferentes fases:

K=Kdk+Kpara+Kaf+Kf, em que Kdia+Kpara+Kaf t habitualmente designado por Kmatriz. As propriedades magnéticas duma rocha, sob a acção de um campo fraco,

dependem do comportamento magnético dos seus minerais. 4.2.2 Anisotropias magnéticas

A ASM advém fundamentalmente de duas anisotropias: a anisotropia de forma e a anisotropia magnetocristalina.

Anisotropia de Forma

A anisotropia de forma deriva do facto dos grãos apresentarem, na maioria dos casos, formas não esféricas, que determinam o seu campo desmagnetizante (Hd), é portanto função do hábito dos minerais e do tipo de rocha da qual fazem parte. É característico de minerais fortemente magnéticos como a magnetite, que é ferrimagnética. Assim, quando aparece em grãos não equidimensionais apresenta a sua susceptibilidade máxima paralela ao alongamento do grão de mineral.

Anisotropia Magnetocristalina

A magnetização de materiais até à saturação é mais facilmente conseguida ao longo de certas direcções cristalográficas, que são as chamadas direcções de fácil magnetização. A esta dependência da magnetização segundo certas direcções cristalográficas chama-se anisotropia magnetocristalina. Alguns silicatos ferromagnesianos como as anfíbolas apresentam anisotropia magnetocristalina, assim como alguns filossilicatos. Nestes últimos, a anisotropia magnetocristalina condiciona um plano de fácil magnetização.

No caso particular das micas, o eixo de susceptibilidade mínima (k3) é quase perpendicular ao plano de clivagem basal do cristal, ou seja, praticamente paralelo a c. Assim o elipsóide de ASM de um cristal de mica corresponde aproximadamente ao elipsóide de forma do cristal. (Fig.4.4).

A magnetite, para além da anisotropia de forma, apresenta também uma anisotropia magnetocristalina mas muito fraca (Nagata 1961): sendo a suceptibilidade mais fraca paralela ao eixo [100] e a susceptibilidade mais forte paralela ao eixo [111].

k,//b

P = 3AC 100°>p>90° kx > k2 > k3

kj A k2 A k3

Fig. 4.4 Eixos cristalinos e eixos das susceptibilidades magnéticas principais para um cristal de um filossilicato (Borradaile & Werner 1994).

4.2.3 "Fabric" magnético

A anisotropia das propriedades magnéticas dos minerais de uma rocha definem o "fabric" magnético desta rocha (Hrouda 1982).

No estudo da ASM de rochas ígneas, nomeadamente de granitos, minerais como a biotite têm grande importância pois são marcadores planares perfeitos da foliação magnética. Nas micas há uma forte anisotropia magnetocristalina em que a susceptibilidade minima é perpendicular ao plano basal (001) com Kmœc e Kirt contidos no plano basal. Assim, o eixo Krnin, representará o polo da foliação magmática (Bouchez et ai. 1981) que sublinha o "sub-fabric" da biotite.

A presença de anfíbolas num granito favorece a definição duma lineação magnética pois o eixo Kmax é paralelo ao eixo c do mineral (Gleizes 1992).

A turmalina devido ao seu hábito prismático, é também um bom marcador da lineação magmática, no entanto como Krrún é paralelo ao eixo c do cristal ter-se-à o chamado "fabric" magnético inverso (Rochette et ai. 1992). Assim uma lineação magmática formada pelo alinhamento de cristais de turmalina não será paralela ao "fabric" magnético.

Podem-se distinguir três tipos de "fabrics" magnéticos:

• Planar: caracterizado por uma foliação magnética bem definida e por uma lineação magnética mal definida;

• Plano-linear: caracterizado por uma foliação e lineação bem definidas;

• Linear: caracterizado por uma lineação bem definida e uma foliação mal definida.

Estes três tipos de "fabrics" são correlacionáveis com os "fabrics" magmáticos descritos anteriormente (Fig. 3.1 e 4.5).

Fig. 4.5 Diferentes tipos de "fabrics" magnéticos.

Em resumo num granito em que o único mineral rico em ferro seja a biotite, teremos um "fabric" paramagnético. A orientação deste "fabric" será semelhante ao "petrofabric" uma vez que a biotite apresenta uma anisotropia magnetocristalina. Podemos quantificar a magnitude do "fabric" magnético da biotite pelo parâmetro P (=K1/K3): P variará entre 1 para uma população aleatória de biotite até 1,35 (Borradaile et ai. 1987; Zapletal 1990) que é a sua anisotropia magnetocristalina intrínseca e que corresponde a uma orientação planar perfeita de grãos de biotite. No entanto o grau de anisotropia P para granitos "paramagnéticos" dificilmente ultrapassa 1,10. Em granitos de duas micas, o papel da moscovite é o mesmo da biotite, apresentando no entanto aquela menor susceptibilidade intrínseca.

4.3 METODOLOGIA

4.3.1 Amostragem

Num estudo estrutural mediante o uso da ASM é indispensável uma amostragem bem repartida e o mais regular possível. Com este fim, realizaram-se duas campanhas de campo, durante a qual se efectuaram 141 estações de amostragem

repartidas regularmente. Em cada estação de amostragem, foram recolhidos cerca de 4 testemunhos orientados, de 25 mm de diâmetro.

A recolha de testemunhos foi feita utilizando uma sonda portátil, cujo amostrador é constituído por um tubo não magnético, que termina numa coroa diamantada. O amostrador é refrigerado por água pressurizada recorrendo-se para tal a uma bomba externa manual (Estampa I).

A orientação dos testemunhos é feita no local, antes destes serem removidos do ponto de furacão mediante um orientador próprio e uma bússola (Fig. 4.6a, Estampa I).

Antes de extraída a amostra, é traçado na parte superior do cilindro um diâmetro cujo azimute é o do plano vertical que passa pelo eixo do cilindro medido relativamente ao norte magnético. Na extremidade do diâmetro, traça-se uma seta que indica o sentido do mergulho do testemunho. Depois de extraída a amostra, traça-se no cilindro duas linhas que correspondem ao azimute do cilindro, isto é, representam o traço do plano vertical que passa pelo eixo do cilindro. Na linha traçada, que corresponde à parte superior do cilindro, são marcadas setas dirigidas no sentido em que a amostra mergulha (Fig. 4.6b).

No laboratório as amostras são cortadas, perpendicularmente ao eixo, em cilindros individuais de 22 mm de altura. Note-se que estas dimensões não são arbitrárias, mas correspondem à relação altura/diâmetro mais próxima da esfera, para que o efeito de forma seja mínimo. A partir de cada cilindro obtêm-se duas amostras sendo a parte inferior geralmente utilizada para executar uma lâmina para estudos petrográficos (Fig. 4.7). Cada estação de amostragem fica em média representada por 8 amostras.

^

(a)

Amostra Orientada

Fig.4.6 (a) Orientador das amostras e bússola. O plano Z, medido no terreno, é perpendicular ao azimute Z' do cilindro. A inclinação a da placa é a mesma que a do cilindro, (b) Amostra extraída e orientada.

22 mm

25 mm

Fig. 4.7 Amostras orientadas e cortadas para a medição da ASM, sendo a restante sobra aproveitada para executar lâminas delgadas.

4.3.2 Medidas Laboratoriais

Nas medições da susceptibilidade magnética e da ASM, utilizou-se a balança de susceptibilidade magnética Kappabridge KLY-2 (Agco Bmo, Republica Checa), existente no "Laboratoire de Pétrophysique et Tectonique" da UPS, Toulouse). Este aparelho opera em campo alterno fraco de intensidade 4xl0"4 T e frequência

920 Hz (Estampa II).

O princípio de funcionamento deste aparelho é a medida da perturbação na indutividade provocada pela amostra, quando esta é introduzida na bobine. A susceptibilidade de cada cilindro é medida colocando este segundo 15 posições diferentes, das quais algumas são simétricas duas a duas. Obtêm-se assim, os termos diagonais e simétricos do tensor de ASM.

A diagonalização desta matriz permite obter três vectores próprios que correspondem aos três eixos principais do elipsóide de ASM (ver Fig.4.1). A orientação desses eixos é obtida relativamente ao referencial da amostra, através das suas declinações e inclinações. (Fig.4.8).

Referência da amostra orientada relativamente ao Norte magnético

Fig. 4.8 Orientação do eixo K ^ do elipsóide de ASM relativamente ao referencial da amostra.

4.3.3 Tratamento de dados

As medições do Kappabridge fornecem os dados, a partir dos quais, mediante o programa "Aniso 14" fornecido pela Geofyzika Bmo, são calculados as parâmetros característicos do elipsóide de ASM. Obtêm-se assim, de uma forma automática, para cada cilindro, a intensidade e orientação dos três eixos principais, kl5 k2 e k3, no

referencial geográfico e os parâmetros escalares do elipsóide de ASM. São os seguintes: • Susceptibilidade média km=(k1+k2+k3)/3

• Anisotropia total P=k/k3 (Nagata 1961)

• Anisotropia linear LS=k1/k2(Balsey&Buddington 1960)

• Anisotropia planar FS=k2/k3 (Stacey et ai. 1960)

Esses valores são posteriormente retrabalhados recorrendo a um programa estatístico especifico, "EXAMS" (Saint Blanquat 1993), que calcula as médias dos dados escalares e direccionais para cada estação de amostragem.

Dados escalares

• Susceptibilidade magnética

A susceptibilidade magnética duma estação, é dada pela expressão: K=(K1+K2+K3)/3

Em que K1} K2 e K3 representam as médias das intensidades da susceptibilidades

principais da estação. • Anisotropia total

A anisotropia total da estação é calculada pela expressão: P = K / K3 ou P%=100x[(K1/K3)-l]

No entanto, no caso dos granitóides estudados, em que a susceptibilidade é fraca (não há contribuição ferromagnética), a fracção diamagnética devida essencialmente ao quartzo e feldspatos, pode aumentar de uma forma artificial a anisotropia (Bouchez et ai. 1987). Para evitar esta situação, utiliza-se o parâmetro P"para"%, que é corrigido do

diamagnetismo considerado como constante e isotrópico Kd=-14 uSI (Rochette 1987).

Temos então como parâmetro de anisotropia:

P"para"% -100 x [( K,+14)/( K3 +14) -1]

com Kj e K3 em p.SI.

Este parâmetro caracteriza somente a anisotropia da fracção paramagnética. • Parâmetro de Forma

Este parâmetro representa a forma do elipsóide de ASM e pode ser calculado de duas maneiras diferentes, obtendo-se ou o Parâmetro T (Jelinek 1981) ou o Parâmetro de Flinn (1962).

O Parâmetro de Forma T é dado pela expressão: T-[2 ln(K2/K3)/ln(K/K3)]-l

O Parâmetro de Flinn é dado pela expressão: PFlinn=(L-l)/(F-l)

em que L e F são dados por:

L=K/K2 e F=K2/K3

O elispsóide de ASM é achatado ("oblate") se 0< PFlinn <1 ou se 0<T<1; o elipsóide será constrito ("prolate") se PFlinn > 1 ou se -1<T <Q

Neste trabalho optamos pela utilização do Parâmetro T em detrimento do Parâmetro de Flinn. Esta escolha baseou-se no facto de considerarmos que o Parâmetro de Jelinek permite comparar mais facilmente, o grau de achatamento comparativamente ao grau de constrição, uma vez que ambos correspondem a intervalos simétricos.

Dados direccionais

O cálculo da média matricial de todas as amostras da estação, permite obter as direcções médias de Kj e K3, em termos de azimute (relativo ao Norte Magnético) e

inclinação. Define-se assim para cada estação a lineação magnética (paralela à direcção de Kj) e a foliação magnética (plano perpendicular a K3).