Cap2_ Magnéticos

UMSA - Fac. Ciencias Geológicas PROSPECCIÓN GEOFÍSICA Rodolfo Ayala Sánchez Ph.D.

MAGNETOMETRÍA – PROSPECCIÓN MAGNÉTICA


MAGNETOMETRÍA – PROSPECCIÓN MAGNÉTICA

1. Introducción a la prospección geofísica.

2. Los métodos geofísicos.

3. Resumen de métodos geofísicos.

4. Combinación de métodos geofísicos.

5. Fases de una prospección geofísica.

6. Métodos aerotransportados y métodos de campo.

7. El método magnético.

8. El campo magnético terrestre. Componentes. Unidades.

9. Paleo magnetismo.

10. Magnetización. Susceptibilidad magnética. Magnetización remanente.

11. Susceptibilidades magnéticas de diversas rocas y minerales.

12. Medición del campo magnético. Magnetómetros.

13. Magnetometría de campo.

14. Magnetometría aérea.

15. Mapas magnéticos. Interpretación.

16. Correcciones de las mediciones.

17. Ventajas e inconvenientes del método magnético.


METODOS MAGNÉTICOS – RESUMEN

• Un poco de historia.

• Aplicaciones

• Magnetismo terrestre. Declinación magnética. Inclinación.

• Fórmulas básicas. Campo magnético inducido.

• Unidades.

• Susceptibilidad magnética.

• Propiedades magnéticas de las rocas

• Variaciones del campo geomagnético.

• Equipos de medida del campo magnético.

• Correcciones a las mediciones del campo geomagnético.

• Mediciones aéreas y terrestres.

• Mapa de anomalías magnéticas.


METODOS MAGNÉTICOS – CONCEPTOS BÁSICOS

Willian Gilbert, autor de "De Magnete“ Primera edición de Chiswick Press, Londres 1600


METODOS MAGNÉTICOS – ESQUEMA GENERAL


METODOS MAGNÉTICOS – HISTORIA

Ya los chinos conocían el imán.

La ciencia del magnetismo inició en el año 1600. En este año el inglés William Gilbert publicó el libro 'De Magnete', que es una compilación de todos los conocimientos ya existentes en el siglo 16 acerca del magnetismo.

En esta publicación Gilbert estableció el concepto de un campo geomagnético general con una orientación definida en cada lugar de la superficie terrestre.

A fines del siglo 16 la observación de anomalías locales en la orientación del campo geomagnético fue conocida y empleada en la prospección de minerales férricos.

En 1870 Thalen y Tiberg construyeron un magnetómetro para determinaciones relativas, rápidas y exactas de las intensidades horizontal y vertical de la declinación por medio de los métodos del seno y de la tangente. Thalen escribió el libro “Sobre el uso de las mediciones magnéticas en el descubrimiento de minerales”


METODOS MAGNÉTICOS – HISTORIA

El método magnético se empleó en gran escala en el estudio de estructuras geológicas, cuando en 1914 y 1915 Adolf Schmidt construyó la balanza de precisión vertical, también llamada variómetro del tipo Schmidt.

La balanza vertical está formada por una aguja magnética orientada horizontalmente en la dirección Este-Oeste y oscilante sobre cuchillas de ágata o bien de cuarzo. Este variómetro permite la medición del campo vertical y su variación local en dimensiones de 1 gamma y por lo tanto este instrumento era suficientemente preciso para ser empleado en las exploraciones mineras.

El desarrollo de nuevos equipos de medida permiten registros de gran precisión.


METODOS MAGNÉTICOS – UN POCO DE HISTORIA

•1000 (aprox.) Los Chinos descubren que la piedra imán flotando a bordo se inclina en dirección sur-norte.

•1187 Alexander Neckham explica la brújula montada en un pivote.

•1269 Carta de Petrus Peregerinus describe las propiedades de los imanes.

•1492 Colón navega hacia el oeste de España, nota cambios de declinación en medio del océano de este a oeste

•1581 Robert Norman publica "El Nuevo atrayente", anunciando el descubrimiento de la declinación magnética. (inclinación).

•1600 "De Magnete" ("El Imán" de William Gilbert : La Tierra misma es un gran imán).

•1634 Henry Gellibrand descubre la variación secular de la declinación.

•1722 George Graham descubre la variación diurna de la declinación

•1741 Graham en Londres y Celsius en Suecia observan perturbaciones magnéticas simultáneas debidas a la aurora polar.

•1777 Coulomb presenta el equilibrio de la torsión, más tarde muestra que las fuerzas magnéticas (las eléctricas también) obedecen a una ley de cuadrados inversos.



•1820 Oersted descubre el magnetismo debido a corrientes eléctricas.

•1820--André-Marie Ampère describe el magnetismo como una fuerza entre corrientes eléctricas.

•1828 Gauss alentado por Alexander von Humboldt estudia el magnetismo. Más tarde desarrolla un método para medir la intensidad magnética.

•1831 Faraday descubre la inducción eléctrica, más tarde introduce el dínamo. Los Rosses y Sabine llegan al polo norte magnético.

•1834 Gauss funda la Unión Magnética G–ttingen, más tarde (1836-9) aplica el análisis de esfera armónica al análisis del campo magnético de la Tierra.

•1843 Heinrich Schwabe publica la primera evidencia del ciclo de la mancha solar.

•1852 Sabine descubre que las tormentas magnéticas vienen del ciclo de manchas solares

•1859 Richard Carrington observa llamaradas solares con luz blanca, seguidas por una gran tormenta magnética

•1864 James Clerk Maxwell propone sus ecuaciones del electromagnetismo.

•1870 Thalen y Tiberg construyen un magnetómetro.

•1886 Heinrich Hertz produce y detecta ondas electromagnéticas, del tipo "radio“

•1895 Kristian Birkeland experimenta con el haces de electrones y esferas magnetizadas representando la Tierra.



•1906 Bernard Brunhes hace pública la primer evidencia de rocas magnetizadas en orden inverso.

•1908 George Ellery Hale descubre que las manchas solares tienen un magnetismo muy fuerte.

•1909 Douglas Mawson llega al polo magnético sur.

•1912 Arthur Schuster sostiene que las tormentas magnéticas son evidencia de una corriente en anillo en el espacio, rodeando la Tierra.

• 1915 Adolf Schmidt construye la balanza de precisión vertical, variómetro.

•1918 Alfred Wegener publica “El origen de los Continentes y Océanos”, proponiendo su teoría de deriva continental.

•1919 Joseph Larmor sostiene que los campos magnéticos de las manchas solares pueden ser producidos por una acción de dínamo que se auto mantiene.

•1929 Motonori Matuyama produce evidencia de que las rocas magnéticas de orden inverso pueden haberse originado cuando la polaridad magnética de la Tierra se revirtió.

•1930 Chapman y Ferraro dan indicios de que las tormentas magnéticas se deben a nubes de plasma provenientes del sol (no de haces de electrón), envolviendo el campo magnético de la Tierra.



•1952 Keith Runcorn promueve la idea de “polo errante” para explicar las inversiones magnéticas.

•1955 Eugene Parker presenta la forma en que los campos magnéticos toroidales del sol refuerzan los campos poloidales.

•1951 Jan Hospers publica un estudio sobre las lavas islandesas; por su magnetización concluye que las inversiones eran reales

•1961 Hess y Dietz sostienen que la corteza Terrestre se esparce desde cordilleras en el medio de los océanos.

•1962 Morley, Vine y Matthews sostienen que la agrupación magnética del fondo del océano es producida por un esparcimiento del lecho del mar, e inversiones polares.

•1963 El Vanguard 3 cartografía los campos internos de la Tierra desde su órbita.

•1965 Heirtzler genera un mapa de la banda simétrica magnética del lecho del océano

•1981 Primer mapeo de precisión del campo magnético de la Tierra desde el espacio, por Magsat.

•1997 Mars Global Surveyor observa la magnetización de la corteza de Marte

•1997 Glatzmaier et al. usa un ordenador para simular el dínamo de la Tierra y sus inversiones.

•1999 El satélite "Oersted" es lanzado para cartografiar el campo principal de la Tierra.


METODOS MAGNÉTICOS - APLICACIONES

Estas aplicaciones disponen de diversos medios o tienen diversas finalidades, como por ejemplo:

• Cartografía geológica de unidades que muestran contrastes de susceptibilidad.

• Cartografía estructural. Fallas, pliegues, fracturas, diques.

• Detección de la profundidad del substrato y del basamento (p. e. prospección petrolífera).

• Detección de minerales de hierro y magnéticos como cromita, sulfuros, magnetita etc., y de los no magnéticos asociados

• Investigación de yacimientos masivos de sulfuros.

• Detección y definición en profundidad de diques.

• Detección de objetos metálicos enterrados (tuberías, tanques, deshechos, restos arqueológicos....)

• Aguas subterráneas.

• Etc.

Una aplicación especial: medidas magnéticas en el espacio.

Algunas de estas aplicaciones no se refieren al método magneto – telúdrico (anomalías del campo magnético terrestre), sino a los métodos electromagnéticos (anomalias de campos magnéticos artificiales).


METODOS MAGNÉTICOS – APLICACIONES

Prospección petrolífera.

Puede utilizarse en las exploraciones preliminares, para situar el basamento.

El método magnético da información (no siempre con éxito) acerca de la profundidad de las rocas del basamento, lo que permite localizar y definir la extensión de las cuencas sedimentarias ubicadas encima susceptibles de contener reservas de petróleo.

Se utilizan normalmente métodos aéreos, para exploraciones regionales, de centenas de Km2.



Depósitos minerales

En la exploración e investigación de yacimientos se emplea en la delineación de depósitos magnéticos intrasedimentarios como rocas subvolcánicas e intrusiones emplazadas a poca profundidad, que cortan la secuencia sedimentaria normal.

Las rocas sedimentarias generalmente ejercen un efecto magnético despreciable en comparación con el efecto magnético generado por las rocas ígneas; la mayoría de las variaciones de la intensidad magnética medidas a la superficie terrestre resulta de cambios litológicos o topográficos asociados con rocas ígneas o con rocas del basamento.

El desarrollo de magnetómetros de alta precisión posibilita la definición de pequeñas repuestas magnéticas de alta frecuencia y la detección de variaciones muy pequeñas de la intensidad magnética, que podrían ser relacionadas con variaciones diminutas en el carácter magnético de rocas sedimentarias yacentes en profundidad somera con respecto a la superficie terrestre.

Las variaciones magnéticas muy pequeñas en el contenido en minerales magnéticos se refieren a valores alrededor de 0,1 gamma.

También se aplica el método magnético en la búsqueda directa de minerales magnéticos y en la búsqueda de minerales no magnéticos asociados con los minerales, que ejercen un efecto magnético mensurable en la superficie terrestre.



Otras aplicaciones

A través del método magnético se puede levantar las discordancias y las superficies terrestres antiguas ahora cubiertas por rocas más jóvenes con el fin de explorar minerales detríticos y/o minerales de uranio relacionados con discordancias.

Hasta mitad del siglo pasado prácticamente solo se llevaron a cabo los métodos magnéticos de exploración en la superficie terrestre.

Hoy día en la prospección petrolífera se emplean casi exclusivamente magnetómetros instalados en aviones y en barcos.

En los estudios de reconocimiento de depósitos minerales se emplean magnetómetros aerotransportados.

En algunos casos se ha utilizado para la prospección de aguas subterráneas.

Hay que distinguir entre métodos magnéticos propiamente dichos, que se basan en la variación del campo magnético terrestre, y los electromagnéticos con campos magnéticos producidos artificialmente.


METODOS MAGNÉTICOS – ALCANCE DEL MÉTODO

Alcance del método magnético

Las anomalías magnéticas detectadas a través

de estudios magnéticos en terreno se explican

con variaciones en las propiedades físicas de

las rocas como la susceptibilidad magnética y/o

la imantación remanente de las rocas. Estas

propiedades físicas solo existen a temperaturas

debajo de la temperatura de Curie.

En consecuencia podemos hallar generadores

de las anomalías magnéticas hasta unas

profundidades máximas de 30 a 40 km.


METODOS MAGNÉTICOS - CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE .


METODOS MAGNÉTICOS - CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE





Componentes del campo magnético terrestre

• Intensidad total. Dos componentes

– Intensidad horizontal. Dos componentes

• Según el meridiano.

• Según el paralelo.

– Intensidad vertical. Dirigida hacia el centro de la tierra

• Declinación: ángulo que forma la componente horizontal con el meridiano.

• Inclinación: ángulo que forma la intensidad total con la componente horizontal

• Isogónicas. Curvas de igual declinación.

• Isoclínicas. Curvas de igual inclinación.

• Isodinámicas. Isogammas. Curvas de igual intensidad magnética.


METODOS MAGNÉTICOS – FÓRMULAS BÁSICAS

–Fuerza de un polo (ley de Culomb):

Donde m es la permeabilidad magnética.

– Intensidad de campo magnético, fuerza sobre la unidad de polo:

f es la intensidad de campo debida a p

2

211

r

ppf

2

1

r

pf


METODOS MAGNÉTICOS – UNIDADES

Oersted

1Oersted = 1Gauss = 105gamma = 105 nT (T = Tesla)

1gamma (g) = 10-9T = 1nT.

1 pico Tesla = 10-12T

1 femto Tesla = 10-15T

1 Oersted. Campo creado por una unidad de polo positiva que repele a otra

unidad positiva situada a 1 cm., con la fuerza de una dina

Campo terrestre, varia entre 24.000 y 68.000 gamma.

En España, 48.000 g (aproximadamente)


METODOS MAGNÉTICOS – CAMPO MAGNÉTICO INDUCIDO

Campo magnético inducido

I = c. H

– I, Intensidad campo inducido por unidad de

volumen

– H, Intensidad campo magnético inductor.

–c, Susceptibilidad magnética

c Normalmente muy inferior a 1, del orden de 10-6. El

valor más alto, en la magnetita, es inferior a 0,6. Pero

hay minerales sin magnetita con susceptibilidades del

orden de 10-3, es decir 103 veces la de los materiales

sedimentarios


METODOS MAGNÉTICOS – CAMPO MAGNÉTICO INDUCIDO

Magnetización remanente, permanente o espontánea.

Punto de Curie. 578º C para la magnetita.

Paleomagnetismo.

Magnetización remanente, depende de la historia de la roca. Los minerales

la adquieren en su formación, cuando bajan por debajo del punto de Curie.

Punto de Curie. Temperatura a partir de la cual desaparece la

magnetización.

Magnetización de rocas: función de los minerales ferromagnéticos

existentes (con susceptibilidad alta, no siempre magnetita, aunque se

intente relacionar, ver figura 9.9).

Paleomagnetismo. Los materiales, magmáticos o sedimentarios, se orientan

según el campo magnético existente en el momento de su formación.


METODOS MAGNÉTICOS – CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE

Campo terrestre, varia entre 24.000 y 68.000 g. En España, 48.000 g


METODOS MAGNÉTICOS – COMPORTAMIENTO MAGNÉTICO DE LAS ROCAS

Al someter la materia a un campo exterior se presentan 3 fenómenos magnéticos:

Diamagnetismo: consiste en una variación del radio y de la velocidad de giro de las cargas de los átomos, con lo que varia el momento magnético de estos. Este fenómeno se presenta en todos los átomos, pero se aprecia cuando el numero de electrones es grande y dispuesto con una simetría tal, que el momento magnético del átomo no es nulo. El campo magnético en el interior de estos cuerpos es menor, por lo tanto, K<0. Los materiales diamagnéticos se caracterizan por ser difícilmente o nada imantables.

Paramagnetismo: Se presenta cuando el momento magnético del átomo no es nulo, pero está en todas las direcciones, con lo que las sustancias aparecen como no magnéticas. En presencia de un campo exterior se ordenan de forma que refuerzan la acción de este y presentan susceptibilidad > 0. Este fenómeno depende de la agitación térmica de las moléculas y por lo tanto de la temperatura. Los materiales paramagnéticos son fáciles de magnetizar.

Ferromagnetismo: Sólidos con un paralelismo de los momentos atómicos de sus átomos próximos, que producen un campo magnético, sin necesidad de un campo exterior.


METODOS MAGNÉTICOS – FERROMAGNETISMO

Cuerpos ferromagnéticos:

Susceptibilidad alta, positiva.

Depende de su historia previa (histéresis).

Hierro, acero, fundición, cobalto, magnetita, níquel, etc.

Cuerpos paramagnéticos:

Se orientan en dirección al campo.

Susceptibilidad positiva. Percloruro y sulfato de hierro, platino, aluminio, etc.

Cuerpos diamagnéticos: Susceptibilidad negativa. Se orientan perpendicularmente a las líneas de flujo. Bismuto, anhidrita, sal común, etc.


METODOS MAGNÉTICOS – FERROMAGENTISMO


METODOS MAGNÉTICOS – FERROMAGNETISMO

Susceptibilidades magnéticas

• Magnetita, 0,3 a 0,8

• Ilmenita, 0,135

• Pirrotina, 0,125

• Granito, gabro, diorita de 10-5 a 10-3

• Arenisca, 17. 10-6

• Dolomía, 14. 10-6

• Grafito, 10

• Sal común, - 1,3.10-6

• Rocas sedimentarias, de 10-6 a 10-5

• Rocas metamórficas, de 10-6 a 10-3


METODOS MAGNÉTICOS – SUSCEPTIBILIDADES MAGNÉTICAS

Tipo de roca Promedio de % de volumen en magnetita

kappa x 10

6

Promedio de % de volumen en ilmenita

kappa x 10

6

Pórfidos de cuarzo 0,82 2500 0,3 410

Riolitas 1,00 3000 0,45 610

Granitos 0,90 2700 0,7 1000

Sienitas traquíticas 2,04 6100 0,7 1000

Nefelitas eruptivas 1,51 4530 1,24 1700

Nefelitas abisales 2,71 8100 0,85 1100

Piroxenitas 3,51 10500 0,40 5400

Gabros 2,40 7200 1,76 2400

Latitas monzoníticas

3,58 10700 1,60 2200

Rocas con leucita 3,27 9800 1,94 2600

Diorita dacítica de cuarzo

3,48 10400 1,94 2600

Andesita 4,50 13500 1,16 1600

Dioritas 3,45 10400 2,44 4200

Peridotitas 4,60 13800 1,31 1800

Basaltos 4,76 14300 1,91 2600

Diabasas 4,35 13100 2,70 3600


METODOS MAGNÉTICOS – EQUIPOS DE MEDIDA

Históricos • Brújula de inclinación. Aguja imantada que puede

moverse en el plano vertical. Mide la componente vertical. Valores dependientes de la orientación.

• Súper brújula de Hotchkiss. Mide la intensidad total.

• Variómetros. Miden la componente H o la Z. Imán desequilibrado, que amplia la acción magnética. Diversas variantes: de compensación, Schmidt, etc.

• Inductor terrestre. “motor eléctrico en el campo magnético terrestre.

• Magnetómetro de torsión. Es un tipo de variometro, soportado por dos hilos. La torsión de los hilos es proporcional al campo magnético.


METODOS MAGNÉTICOS – EQUIPOS DE MEDIDA ACTUALES

Magnetómetro de saturación. Fluxgate.

Basado en el efecto de una pequeña variación del campo sobre dos núcleos

magnéticos saturados, con arrollamientos eléctricos opuestos. Es un

magnetómetro vectorial (las mediciones dependen de la orientación)

Magnetómetro de precesión protónica.

Basado en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear, con la

alineación de protones en un campo magnético y la frecuencia de precesión

para realinearse en el campo terrestre. Se utilizan compuestos con átomos

de H: agua, metanol, keroseno, etc.

Magnetómetro de célula de absorción (gas alcalino).

Basado en la absorción de energía por los electrones de un gas como He

(teórico) o vapor de álcalis como Rb, Cs o K, rarificados, excitados por un

rayo de luz polarizada emitido por una fuente de la misma sustancia

gaseiforme, en presencia de un campo magnético. Normalmente, Cs o K.

Magnetómetro Overhauser.

Una explicación detallada del funcionamiento requiere, como en presesión

protónica y en célula de absorción, conocimientos de la mecánica cuántica.

Los magnetómetros de este tipo usan una solución rica en protones y iones

paramagnéticos.



Fluxgate. (magnetómetro de saturación).

Mide la variación de la intensidad vertical V del campo magnético terrestre.

Está formado por dos electroimanes, cuyos ejes se alinean paralelamente a la dirección del campo terrestre. Cada electroimán dispone del arrollamiento de una bobina en sentido opuesto al del otro, conectadas en serie, que generan en los dos núcleos densidades de flujo magnético de la misma intensidad, pero de signos opuestos, es decir que los momentos magnéticos de los dos núcleos se orientan en direcciones opuestas por el arrollamiento en sentido opuesto de las dos bobinas. Cada bobina posee un arrollamiento secundario, cuyas dos secciones están conectadas con un voltímetro para indicar la diferencia entre las dos salidas.

El campo terrestre refuerza el campo engendrado por una de las bobinas y se opone al campo producido por la otra. Se superpone a la magnetización de la corriente de excitación, que llega antes al punto de saturación en el ciclo (indicado por el descenso en el voltaje secundario), si tiene el mismo sentido que sí está en oposición. Con las salidas de voltaje de ambas bobinas secundarias conectadas en oposición, la salida resultante consiste en pares de crestas, cuya altura es dentro de límites razonables proporcional al campo magnético.

Algunos magnetómetros del tipo 'flux-gate' alcanzan una precisión entre 0,5 a 1,0gamma.



MAGNETÓMETROS FLUXGATE



Precesión protónica (resonancia magnética nuclear) Magnetómetro de resonancia nuclear, o protónico de precesión. Mide la intensidad total absoluta del campo magnético en tiempos discretos.

Basado en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear, con la alineación de protones en un campo magnético y la frecuencia de precesión para realinearse en el campo terrestre.

Aproximadamente los dos tercios de todos los núcleos atómicos (protones) tienen un momento magnético. Pueden considerarse como diminutos imanes en forma de esfera, que giran alrededor de sus ejes magnéticos.

Si se aplica un campo magnético exterior en una dirección en ángulo recto con la del campo terrestre a una botella de agua o de una otra sustancia, que contiene una gran cantidad de protones H+ polarizada solamente por el campo terrestre, los protones se orientan hasta que apuntan en la dirección correspondiente al campo resultante.

Al desaparecer el campo magnético exterior, el momento magnético recobrará su valor y dirección primitivos en el campo terrestre por 'precesión' en torno de ese campo con una velocidad angular w = gp x F, en donde gp es la razón giromagnética del protón y una constante de proporcionalidad (23,4873826 g/Hz) y F es el campo terrestre.

La frecuencia de la 'precesión' es directamente proporcional al valor del componente total del campo magnético. Se obtiene la intensidad total del campo terrestre midiendo la frecuencia del voltaje inducido por la precesión. Debido al proceso de la inducción electromagnética la amplitud de la señal es proporcional a F. Por esto la sensibilidad del magnetómetro es alta en un campo magnético intenso, mientras que en un campo magnético débil la sensibilidad disminuye. En un campo terrestre de 50.000 gamma la frecuencia de precesión es de unos 2000 Hz y el magnetómetro logra una precisión de 0,1gammas.

Una medición se puede realizar en un cuarto de un segundo, pero con una sensibilidad reducida.

Una limitaciones del magnetómetro nuclear son gradientes muy grandes, (mayores de 300 gammas cada metro) debido al tamaño relativamente grande de la botella con el liquido de protones y interferencias. El campo variaría dentro de la unidad de medición y por consiguiente el magnetómetro no podrá dar un valor constante.



Magnetómetro de precesión protónica



Magnetómetro con célula de absorción

Se basa en la separación de líneas espectrales (absorción óptica) por la influencia de un campo magnético. Este fenómeno se empleó en los magnetómetros desde los setenta del siglo XX.

El magnetómetro se compone de una célula normalmente con vapor de, Cs o K, rarificado, excitado por un rayo de luz polarizada emitido por una fuente de la misma sustancia gaseiforme.

En los átomos se produce una elevación de su estado energético fundamental a varios niveles ópticos. En presencia de un campo magnético externo, como el campo geomagnético, los niveles fundamentales y elevados se separan en niveles magnéticos estrechamente definidos. Este fenómeno se denomina “efecto ZEEMAN” por su descubridor.

Comparando la absorción óptica (transparencia) del gas de la célula excitado por la luz polarizada con la transparencia del gas no afectado por bombeo óptico se puede tener una medida del campo magnético. La modulación de la luz polarizada hasta obtener la transparencia se toma como medida para el campo magnético ambiental.

El magnetómetro de absorción óptica mide la intensidad total del campo magnético continuamente, con sensibilidad alta de hasta 0.01 gamma.



Magnetómetro de célula de absorción (potasio). Gradiente magnético.

Investigación de un yacimiento arqueológico



Magnetómetro de célula de absorción (potasio).



CARACTERÍSITICAS MAGNETÓMETRO DE K (GSMP-30)

•Sensibilidad 0.001 del nT

•Casi ningún error de orientación

•La mejor exactitud absoluta

•Los sensores no requieren la calibración periódica

•GPS integrado opcional

•Hasta 10 lecturas por segundo

•Para aplicaciones ambientales, arqueológicas, vulcanología, la

predicción del terremotos, la actividad y disturbios magnéticos diurna

les, monitoreo a largo plazo detección de armamento sin explotar (uxo

•El modo 'Walking' (Portátil) para grabación de datos continua aumenta

la eficiencia del muestreo.



Ventajas del GSMP-30

Insensibilidad a la orientación. Virtualmente cero errores de

orientación resultado de la propiedades nucleares del potasio no

induce ruido en las señales magnéticas o magnéticas de gradiente

como resultado una muy alta sensibilidad se puede tener en

ambientes dinámicos o estáticos.

Sensibilidad. Resultados potenciales sensibilidad inherentes de las

características nucleares del potasio. Las líneas espectrales del

potasio están separadas proporcionando la sensibilidades que es las

más altas entre todos los magnetómetros ópticamente bombeados.

Exactitud absoluta. La exactitud absoluta incomparable de GSMP-30

(una variación solamente de ± 0,1 nT entre cualquier sensor GSMP-30)

hace este sensor la mejor opción para todas las instalaciones del

gradiometro.

Ninguna calibración regular. Los sensores del GSMP-30 no requieren

la calibración periódica como la posición relativa de la bobina de la

despolarización del RF y el eje óptico, no afecta el funcionamiento.



Magnetómetro con célula de absorción



Magnetómetro protónico del tipo Overhauser

Otro tipo de magnetómetro nuclear, es el basado en el efecto Overhauser, desarrollado al principio de la década sesenta. (precesión protónica)

Una explicación detallada del funcionamiento requiere conocimientos de la mecánica cuántica. Los magnetómetros de este tipo usan una solución rica en protones y iones paramagnéticos.

Al aplicar una señal de muy alta frecuencia (VHF) a una solución de protones e iones paramagnéticos (dominada por la frecuencia propia del electrón no perturbado) el espín nuclear ubicado en el protón se polariza como consecuencia de la interacción entre los electrones y los núcleos atómicos.

Con este método se logra un aumento de la intensidad de la señal en el rango de 100 a 1000 veces resultando en señales de precesión con magnitudes entre 1 y 10mV (las señales de precesión producidas por el magnetómetro protónico de precesión varían alrededor de 1mV). Por esto la razón el “ruido” se reduce apreciadamente y en consecuencia se mejora la precisión de la medición.

El magnetómetro protónico del tipo Overhauser requiere un intervalo de tiempo de medición de 8 a 10 s como mínimo; midiendo un intervalo de tiempo mayor se puede aumentar la sensibilidad de medición. Se alcanzan sensibilidades de 0,1 a 0,01 nT.

En los modernos aparatos no es necesario este tiempo.



Magnetómetro protónico del tipo Overhauser



OPCIONES POSIBLES DE UN MAGNETOMETRO Overhauser GEM

Opción "G" agrega un segundo sensor para las medidas del gradiente.

Los sensores del gradiometro miden los dos campos magnéticos

concurrentemente para evitar cualquier variación temporal que podría

distorsionar las lecturas del gradiometro. Como características botón de

uso fácil para grabar datos.

Opción "W" permite la adquisición de datos casi continuos a lo largo de

líneas del muestreo. El sistema registra datos en los intervalos de tiempo

tan rápidamente como dos lecturas por segundo. Puede ser combinado

con la opción "G".

Opción "F" lee hasta cinco lecturas por el segundo, ideal para los

muestreos en vehículos. Puede ser combinado con la opción de "G".

Opción GPS integrado receptor y software. GEM Systems se convirtió

recientemente en ser el único fabricante que proporcionar una opción

completamente integrada del GPS para sus productos. Junto con las

opciones de posicionamiento de metro y sub.-metro, la nueva funcionalidad

de proceso permite a usuarios aprovecharse de las ventajas del GPS.



Características a considerar:

• Tipo de sensor.

• Escalares o vectoriales. Componentes del campo.

• Estabilidad (cero estable). Linealidad. Bajo ruido.

• Calibraciones.

• Precisión (exactitud):

1 g los terrestres y hasta 0,03 g los aerotransportados.

• Sensibilidad. Hasta el 10 % de la precisión.

• Rango de medidas (gama de medidas).

• Duración de cada medida. Registros por segundo

• Capacidad de almacenamiento de datos.

• Transmisión de datos. Capacidad.

• Interfaz. Pantalla.

• Coordenadas (GPS).

• Etc.


METODOS MAGNÉTICOS – VARIACIONES DEL CAMPO GEOMAGNÉTICO

. Tipo de variación Origen Variación en función

del tiempo Forma espacial Amplitud típica

Bipolar Interior de la Tierra Desciende

lentamente Aproximadamente bipolar 25.000 - 70.000 nT

Secular Núcleo de la Tierra 1-100 años Irregular, rolando hacia el W +/- 10-100 nT/a

Diurna Exterior, relacionado con

manchas solares

24 horas, 27 días, 12

meses, 11 a

Depende de * y de la actividad

de manchas solares 10 – 100 nT

Micro pulsaciones Exterior Frecuencia: 0,002 -

0,1 Hz


de manchas solares y de

tormentas magnéticas

Normal: 1 – 10 nT,

Máxima: 500 nT

'Audio frecuencia

magnética'1 Exterior

Frecuencia:

1 – 1000 Hz


de manchas solares y de

tornados

0,01 nT/s

Efectos de

corrientes telúricas

Interior en baja

profundidad

Frecuencia: 0,002 -

1000Hz Geología Hasta 0,01 nT/s

Imantación

inducida de las

rocas

Interior en baja

profundidad hasta la

geoterma del punto de

Curie2

Secular

Geología, varía, depende en

primer lugar del contenido en

magnetita en las rocas

Hasta 0,05 emu/cm3

Imantación

remanente de las

rocas

Interior en baja

profundidad hasta la

geoterma del punto de

Curie2

Se descompone

durante tiempos

geológicos

Geología Hasta 0,2 emu/cm3


METODOS MAGNÉTICOS – ANOMALIAS DEL CAMPO MAGNÉTICO

Anomalías Regionales:

Se consideran como anomalías regionales las

desviaciones localizadas en el campo

magnético terrestre respecto de la distribución

que habría en el supuesto de que el campo

magnético terrestre fuese originado por un

solo imán orientado según el eje magnético.

Estas anomalías tienen máximos de orden de

10.000 gammas, es decir, la tercera parte de la

intensidad del ecuador. Puede afectar a zonas

de dos a tres millones de kilómetros

cuadrados.


METODOS MAGNÉTICOS – VARIACIONES TEMPORALES DEL CMT

Variaciones Temporales del Campo Magnético Terrestre:

La intensidad magnética terrestre cambia su dirección de una forma lenta e irregular. Se puede comprobar dichas variaciones al medir la intensidad en laboratorios magnéticos, donde se observan cambios de pequeños periodo en la magnitud del campo.

Estos cambios son debidos a varias causas, y pueden componerse en seculares, diurnos solares, diurnos lunares y tormentas magnéticas.

Variación Secular:

Son los cambios que van progresando lentamente durante décadas o siglos. Se observan por pequeñas desviaciones en la declinación, inclinación y en los distintos componentes de la intensidad; la intensidad del cambio varia con el tiempo. Estas variaciones seculares se pueden observar en mapas isopóicos.

Un cambio secular más claro es el de la revolución terrestre aparente de los polos magnéticos en torno al eje de rotación. Este cambio se pone de manifiesto por cambios periódicos y simultáneos de la declinación en puntos en los que se vienen realizando registros magnéticos precisos desde hace siglos.

Todas estas variaciones seculares parecen estar relacionadas con el campo interno terrestre. Además, hay un ciclo de variación cada once años, tanto en la intensidad vertical como en la horizontal, que parece estar en relación con los periodos de mayor frecuencia de manchas solares; tienen una variación según la latitud que parece debido a fuentes de origen externo.



Variación Diurna

De más importancia en prospección geofísica son las oscilaciones, menores pero mas rápidas, que tienen una periodicidad de aproximadamente 24 horas y una amplitud de 25 gammas por termino medio.

Estas variaciones diurnas son registradas con frecuencias en las gráficas de los observatorios magnéticos alrededor del planeta.

Los registros, en general, muestran dos tipos de variaciones: en los "días tranquilos" la variación es suave, regular y de poca amplitud; puede ser descompuesta en componentes que pueden ser predichas y que tienen periodicidades solares y lunares. En los "días inquietos", la variación es menos regular y esta asociada a tormentas magnéticas.

Se pueden distinguir la variación solar diurna (la más importante) y la variación lunas diurna.



Variación Solar Diurna

El análisis de registros de variación en los días magnéticamente tranquilos pone de manifiesto una periodicidad definida de 24 horas, que depende con bastante aproximación solamente del tiempo local y de la latitud geográfica. Por esta correlación de la variación con el periodo de rotación terrestre, aquella es atribuida al sol y por eso se denomina variación diurna solar. Por termino medio, esta variación de intensidad es del orden de 30 gammas, aunque su amplitud crece durante el verano en cada hemisferio.

Es muy probable que la variación solar diurna sea debido al efecto del sol sobre las corrientes eléctricas de la atmósfera terrestre externa; las variaciones en estas corrientes ocasionan a su vez variaciones en el campo magnético que ellas inducen en la superficie terrestre.

Variación Lunar Diurna

Hay otra componente en la variación periódica de los elementos magnéticos terrestres que tiene una periodicidad de unas 25 horas y una amplitud quince veces menor que la de la variación solar diurna. Puesto que esta es la duración del día lunar, estas variaciones se supone que están en relación con la rotación terrestre con respecto a la luna; por eso se denominan variaciones lunares diurnas. Esta variación se diferencia de la solar porque mientras estas es aproximadamente constante a lo largo del tiempo, la variación lunar varia cíclicamente a lo largo del mes.


METODOS MAGNÉTICOS – CORRECCIONES A LAS MEDIDAS DEL CAMPO

• Diurna.

Normalmente de unas decenas de g, pero pueden llegar a cientos o miles de g en caso de tormentas magnéticas. Si son severas, no se debe medir.

Corrección, por medidas repetidas en una estación base, considerando que las variaciones son lineales entre medidas, o mediante registros continuos (utilizando la memoria del magnetómetro).

La estación base ha de estar adecuadamente situada, fuera del alcance de cualquier fuente magnética temporal.

• Deriva del aparato.

Aunque en los aparatos modernos la deriva es mínima, lo ideal es comprobar la deriva al inicio y final del trabajo, por comparación entre varios magnetómetros.

• Campaña.

Cuando la campaña dura varios días, hay que aplicar las correcciones durante este tiempo.


METODOS MAGNÉTICOS – CORRECCIONES A LAS MEDIDAS DEL CAMPO

• Por latitud y longitud. Solo si se reconocen áreas muy extensas

• Topográfica. Cuando hay diferencias de cota significativas.

• Fuentes electromagnéticas antrópicas.

Los magnetómetros deben poder trabajar en frecuencias 50 ó 60 Hz y en frecuencias de radio. Pero pueden estar influidos por otras actuaciones antrópicas, como: protección catódica de tuberías, ferrocarriles, estructuras metálicas, etc.

• Duplicación de magnetómetros. En medidas delicadas se puede trabajar con dos equipos distintos trabajando en la misma red

• Accesorios personales. Hacer una medición sin nadie cerca. El resultado no debe variar de cuando lo transporta una persona.

• Distancia al suelo. Es conveniente mantener una distancia sensiblemente constante. Atención a la posible contaminación por suelo magnético.


METODOS MAGNÉTICOS – TRATAMIENTO DE LOS DATOS

El tratamiento de los datos se realiza mediante programas informáticos, cada vez más desarrollados.

Dentro de los programas hay diversos tratamientos de los datos. Sin entrar a fondo, podemos citar:

Derivadas (verticales y horizontales) Procesamiento que permite resaltar las transiciones laterales y verticales de la señal.

Método del gradiente. Dos magnetómetros separados verticalmente, que realizan una medición simultánea. La diferencia es la derivada del campo magnético en relación con la altura. También se puede aplicar para el gradiente horizontal. Reducción al Polo Permite “ver” las anomalías como si se estuviera sobre él, a una distancia sobre la superficie en que se han realizado las mediciones. Mejora la definición de la geometría representativa de los cuerpos que originan las anomalías. Es una traslación, por cálculo, de las medidas a una altura sobre la superficie.

Perfil magnético. Con estimación de geometrías y profundidades de las estratificaciones y cuerpos magnéticos


METODOS MAGNÉTICOS – CAMPAÑA

Definición de los objetivos:

Recurso a investigar, superficie, etc.

Recopilación de datos previos.

Modelización estimada del yacimiento.

Definición de la campaña

Trayectos a cubrir, equipos, estaciones base, recorridos, iteraciones, etc.

Ejecución de la campaña – Iteraciones. Definir el número de veces que se ha de medir una

estación, tiempo entre retorno a la estación base, etc.

– Orientación del campo. Estará definida la orientación del campo que se mide, en relación con el campo magnético terrestre.

– Anotaciones. Presencia de elementos como líneas eléctricas, tuberías, ferrocarriles, y en general cualquier tipo de material magnético será anotado en el libro de campo.

– Tratamiento de los datos. Correcciones de los registros.

– Plano de anomalías magnéticas.


METODOS MAGNÉTICOS – CAMPAÑA

Mapas y perfiles de anomalías Curvas:

Isogónicas. Curvas de igual declinación.

Isoclínicas. Curvas de igual inclinación.

Isodinámicas. Isogammas. Curvas de igual intensidad magnética

Interpretación de los resultados.

• Aplicación de programas informáticos

• Fórmulas y métodos de diversos autores: Vacquier, Steenland, Peters, Henderson, Zietz (históricos).

• Para dimensiones, interpretaciones derivadas de la experiencia y en modelos sintéticos.

• Iteraciones a partir de un modelo.

• Comparación con los resultados de otros métodos.

Memoria final


METODOS MAGNÉTICOS – CONTENIDO EN MAGNETITA

Efectos del contenido en magnetita


METODOS MAGNÉTICOS – EFECTO PROFUNDIDAD

Efecto de la profundidad


METODOS MAGNÉTICOS – MEDICIONES AÉREAS

Principales aplicaciones • Detección de yacimientos de minerales magnéticos

• Localización del basamento en investigación petrolífera.

• Levantamiento del mapa geológico de una región.

Ventajas • Rapidez.

• Acceso a lugares difíciles. No hay problemas de accesibilidad.

• Supresión de anomalías próximas. Medidas aéreas no influenciadas por pequeños elementos.

• Útil para explorar grandes áreas. • Mide la componente total del campo.

• Corrección diurna más sencilla: volver a las bases cada 10’ ó 15’, por ejemplo.


METODOS MAGNÉTICOS – CONCEPTOS BÁSICOS A CONSIDERAR

•El método magnético. Aplicaciones. Ventajas. Limitaciones.

•El campo magnético. Unidades

•El campo magnético terrestre. Componentes.

•Magnetización. Susceptibilidad magnética. Magnetización remanente.

•Ferromagnetismo. Paramagnetismo. Diamagnetismo.

•Paleo magnetismo.

•Susceptibilidades magnéticas de diversas rocas y minerales.

•Medición del campo magnético. Tipos de magnetómetros.

•Magnetometría de campo. Metodología.

•Magnetometría aérea. Características. Aplicaciones.

•Variaciones temporales del campo magnético terrestre.

•Correcciones de las medidas de campo.

•Del capítulo 6 del documento EM 1110-1-1802 Ver su aplicación a alguno de los puntos anteriores.

Trabajo de campo. Punto 6.3.


PUNTOS A PREPARAR PARA LA PRÓXIMA CLASE

Aplicaciones de la gravimetría.

Campo gravitatorio terrestre. Geoide. Esferoide.

Aparatos de medida. Gravímetros.

Planteamiento de una campaña gravimétrica. Toma de datos.

Correcciones: aire libre, Bouguer, topográfica, deriva instrumental, mareas, isostática.

Reducción de la gravedad al geoide. Anomalías. Anomalía de Bouguer. Regional. Residual.

Interpretación de las anomalías.

Continuación del campo.

Microgravimetría

Ventajas e inconvenientes del método gravimétrico.

Del capítulo 6 del documento EM 1110-1-1802 Ver su aplicación a alguno de los puntos anteriores.

Fórmula para una capa infinita (5.2.(2)b).

Propiedades de las rocas. Leer tabla 5-1

Trabajo de campo (general y análisis)

Interpretación


METODOS MAGNÉTICOS – GRADIOMETROS VERTICAL Y HORIZONTAL

Medidores del gradiente magnético


METODOS MAGNÉTICOS – MEDICIONES CONTINUAS Y PUNTUALES


Métodos de Relevamiento

• Relevamientos Terrestres:

Normalmente desarrollados como perfiles o serie de perfiles. Se puede ajustar la ubicación con alta precisión

– Útiles en areas pequeñas con alta resolución (Minería, arqueología, ambiental)

– En áreas más grandes, como apoyo a otros estudios (ej. gravedad)

• Relevamientos Aéreos:

Utilizados mayormente en relevamientos regionales (avión) o locales (helicóptero). Serie paralela de líneas de vuelo con enlaces. Posición del avión es crítica

- Útiles en minería, relevamientos sistemáticos oficiales, exploración de HC

• Relevamientos Acuáticos:

Mayormente como complemento de otros estudios (ej. sísmica) en relevamientos regionales o específicos en cuenrpos de agua más pequeños (variante de los terrestres)

- Útiles en estudios académicos, ambientales, arqueológicos, exploración de HC


Relevamientos terrestres


Relevamiento con

magnetómetro protónico a

lo largo de un perfil medido

con cinta métrica y

geoposicionado con GPS


L8

L1 L2

L9

L3-5

L6-7

Relevamiento magnetométrico terrestre en un campo petrolero.

Ubicación de los perfiles (equidistancia 10 metros)

1 km

Relevamientos aéreos


Magnetómetro portado

por helicóptero

Estación Base

Registro de la variación diurna

(campo total) Cerro Dragón , pcia. del Chubut (marzo 2004)

27900

27910

27920

27930

27940

27950

27960

27970

27980

27990

28000

28010

1 2001 4001 6001 8001 10001 12001 14001 16001 8 20 8 20 8 20 8 20 8

Influencia de la altura

de vuelo


METODOS MAGNÉTICOS – EJEMPLO DE INTERPRETACIÓN

.



Mapas magnéticos.

Isogónicas. Curvas de igual declinación.

Isoclínicas. Curvas de igual inclinación.

Isodinámicas. Isogammas. Curvas de

igual intensidad magnética


METODOS MAGNÉTICOS – EJEMPLO DE MAPA DE ISOLÍNEAS


METODOS MAGNÉTICOS – EJEMPLO DE MAPA DE ISOLÍNEAS


METODOS MAGNÉTICOS – CONSTRUCCIÓN MANUAL DE ISOLÍNEAS

Construcción de isolíneas


METODOS MAGNÉTICOS – EJEMPLO DE RESULTADOS

Gradientes magnéticos



Ejemplo de registro magnético



M A G N E T I S M O

Aplicaciones Mapeo geológico de unidades que muestran contrastes de susceptibilidad Mapeo estructural (fallas, cizalla, fracturas, pliegues, etc.) Detección de profundidad del substrato y del basamento Detección de minerales de hierro y magnéticos como Cromita, Sulfuros, Magnetita etc. Exploración de depósitos minerales asociados a la topografía del basamento Localización y caracterización de Kimberlitas, Asbestos y Placeres Detección de objetos metálicos enterrados (tubería, tanques, deshechos,....) Detección de objetos metálicos en ambientes marinos Delineamiento del perímetro de campos de relleno

Instrumentos Disponibles GSM GEM-19 (overhauser con sensor omnidireccional. Configuración optima para estudios a bajas latitudes) Con Opción Gradiómetro y Walking Mag Programas de Interpretación Geosoft, Magixxl, MagixW

Magnetismo en la Exploración Minera

(Campo Magnético Total, Reducción al Polo y Derivada Vertical de Primer Orden)

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Mapa geológico y aeromagnético del escudo de Tarueg y

Hoggar oriental (Africa Occidental)

• según Bertrand y Caby (1977, 1978)

• según Bournas et al. (2002)

.

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