Sifat Magnet Batuan

transcript

Tugas Minggu Depan1. Tulis di kertas rangkuman

tentang paleomagnetik.

Dikumpulkan Pada pertemuan berikutnya

•Proton magnetometer

3P- Fa

•(D) Precession at 27tf

•Magnetic moment

• Magnetic torque

Schematic diagram of the fluxgate magnetometer

• 80

Advantages

SimpleFastCost effective

No artificial source requiredGood qualitative tool for mapping

Metode Magnetik

DEFINISI DAN SATUAN

Medan magnet di tengah lingkaran

Momen magnetik

Magnetisasi

Momen magnetik perunit massa

Suseptibilitas magnetik

Suseptibilitas massa

Terdapat tiga vector magnetic:1. H Medan magnet2. M Magnetisasi3. B Induksi Magnet

Momen magnetik dan suseptibilitas

• Magnetisasi merupakan tingkat kemampuan untuk di se-arahkan momen-momen dipol magnetiknya oleh medan magnetik luar.

• Suatu bahan yang bersifat magnetik berada dalam pengaruh kuat medan magnet luar maka bahan tersebut akan termagnetisasi. Besaran dari magnetisasi ini sebanding dengan momen magnetik per volume.

• Magnetisasi yang dihasilkan sebanding dengan kuat medan yang mempengaruhinya yang bergantung pada nilai suseptibilitas magnetic (k) medium tersebut.

Bahan magnetik

Jika suatu batang magnet retak sehingga membentuk kutub baru, maka akan timbul medan magnet disekitarnya.

Gas atau udara tidak dapat mangalami magnetisasi sehingga titak memiliki momen magnetik, dan jika pada bagian retak tersebut diberikan suatu medium dan terjadi magnetisasi, maka medium tersebut dapat dikatakan sebagai medium/ bahan magnetik pula.

Klasifikasi mediumKlasifikasi mediumBahan atau medium dapat diklasifikasikan ke dalam 5 jenis sesuai dengan respon magnetisasinya terhadap pengaruh kuat Medan magnet luar.

Klasifikasi ini didasarkan atas spin elektron dari atom penyusun medium tersebut, dimana elektron sebagai ion negatif yang menghasilkan momen momen magnetik.

Prinsip utama dari kemagnetan suatu medium bergantung pada spin elektronnya. Jika elektron pada atom suatu medium berpasangan, maka elektron tersebut tidak akan menarik garis-garis gaya magnetik luar dan sebaliknya.

Spin elektron inilah yang menentukan apakah suatu medium dapat dikatakan bersifat megnetik atau tidak.

DEFINISI DAN SATUAN

Beberapa satuan magnet :

BAHAN MAGNETIK

Asal dari magnetisme adalah perputaran (spin) dan pengorbitan dari elektron dan bagaimana elektron-elektron tersebut berinteraksi dengan elektron lainnya

Tiap bahan memberikan respon yang berbeda terhadap medan magnet yang melewatinya

Pada umumnya semua bahan bersifat magnetik, hanya saja beberapa bahan lebih magnetik dibandingkan bahan lainnya

Perbedaan antar bahan adalah terletak pada interaksi antara momen magnetik atom-atomnya. Beberapa bahan memiliki interaksi yang sangat kuat sebagian lagi sangat lemah

BAHAN MAGNETIK Kelompok Bahan Magnetik

Klasifikasi unsur atas sifat magnetiknya

BAHAN MAGNETIK DIAMAGNETIK

Diamagnetik: yaitu bahan yang kulit elektronnya lengkap dan terisi oleh elektron yang berpasangan

Tidak memiliki momen magnetiksuseptibilitas < -10-5 SI

Susep 10-8 m3kg-1

Jika dipengaruhi oleh kuat medan luar, putaran elektron ini akan menghasilkan arah momen magnetik yang berlawanan dengan arah kuat medan luar sehingga akan menghasilkan resultan yang berarah negatif

Contoh:

BAHAN MAGNETIK PARAMAGNETIK

Paramagnetik: yaitu bahan yang jumlah elektron pada kulit atomnya tidak lengkap (sebagin ada elektron yang tidak berpasangan)

Memiliki momen magnetikSuseptibilitas 10-3 - 10-6 SI

Susep 10-8 m3kg-1

Hukum Curie

Tanpa pengaruh kuat medan luar, momen magnetik memiliki arah orientasi yang acak Jika ada pengaruh dari kuat medan luar, maka momen momen magnetik akan mensejajarkan diri searah dengan medan tersebut. Tetapi megnetisasi yang dihasilkan sangat kecil terhadap kuat medan magnetnya sehingga harga suseptibilitasnya kecil walaupun positif.

BAHAN MAGNETIK FERROMAGNETIK

Memiliki momen magnetikAda interaksi antar atomDua karakteristik dari bahan ferromagnetik adalah:

• Magnetisasi spontan; dan•Tingkat kemagnetan yang bergantung pada suhu.

Magnetisasi spontan adalah total magnetisasi yang terdapat didalam elemen volume seragam meskipun jika tidak ada medan magnet luar. Momen magnetik timbul dari putaran elektron yang barinteraksi kuat dengan elektron disekitarnya secara exchange coupling sehingga terjadi penyearahan momen magnetik dalam atomnya dengan arah yang sama , bahkan tanpa adanya pengaruh medan magnet luar. Sehingga jika dipengaruhi oleh medan magnet luar, akan termagnetisasi dengan kuat.

Medium ini memilki struktur elektron yang hampir sama dengan medium ferromagnetik, tetapi memiliki dua arah momen magnetik yang berlawanan dengan besar yang sama. Ketika ada pengaruh dari kuat medan luar, maka momen momen ini akan saling meniadakan. Momen yang saling berlawanan ini disebut momen paralel dan anti paralel.

Antiferromagnetik

Bahan Ferrimagnetik

Medium ini juga hampir sama dengan medium ferromagnetik tetapi sebagian ada yg berbeda arah momen magnetiknya

Tanpa adanya pengaruh kuat medan luar, arah momen magnetik paralel dan saling berlawanan, tetapi berbeda dengan antiferromagnetik, momen paralelnya lebih besar dibandingkan momen anti paralelnya.

Medium ferro-, anti ferro, dan ferrimagnetik dipengaruhi oleh suhu, dimana jika medium ini dipanaskan sampai pada suhu terntentu maka medium ini akan berubah menjadi medium paramagnetik. Batasan tersebut dinamakan suhu curie .

BAHAN MAGNETIK • Magnetisasi saturasi

Magnetisasi saturasi (Msat)adalah magnetisasi maksimum dari momen magnetik yang dapat dicapai pada medan magnetic saturasinya (Hsat), setelah medan ini tidak ada peningkatan magnetisasi

Induksi magnetik (B) adalah jumlahan antara medan yang diakibatkan oleh kuat medan magnetik luar (H) dan efek magnetisasi (M)

Untuk medium ferro- dan ferrimagnetik , momen magnetic adalah jumlahan dari induksi magnetisai (Mi) dan remannent magnetisasi (Mr). Rasio dari remanent magnetisasi terhadap induksi magnetisasi dinamakan “Koenigsberger Q-ratio”

Kurva HisterisisKurva Histerisis

Kurva histeresis dapat menunjukkan adanya pengaruh “magnetic histories” pada medium ferromagnetik, dengan mengubah kuat medan luar dan mengamati induksi magnetik yang muncul. Ketika kuat medan magnet menjadi nol, ternyata induksi magnetnya tidak serta merta menjadi nol.

Agar induksi magnetisasi menjadi nol, maka diperlukan medan magnet yang berlawanan arah.

Kurva Histerisis1. Sampel dengan momen magnet

acak disearahkan dengan medan magnet luar H.

2. Momen dipole searah magnetisasinya menguat sesuai dengan besar H, pada medan magnetisasi mulai jenuh akan konstan.

3. Medan magnet luar dilepas (H=0), maka momen dipole kembali acak dengan masih punya magnetisasi remanen.

4. Bila diberi H negatif, momen dipole diserahkan kembali pada arah negatif sampai jenuh.

BAHAN MAGNETIK

Magnetisasi batang besi pada solenoida berarus

a-b : magnetisasi awal, saturasi pada bb-c : demagnetisasi, M ≠ 0 di I = 0c-d : arah arus dibalikd-e : saturasi pada arah yang berlawananPada c dan f magnetisasinya permanent, I=0

BAHAN MAGNETIK

Parameter histerisis yang beragam bukan semata mata merupakan sifat/ciri intrinsic dari suatu bahan tapi juga bergantung atas ukuran butir(partikel), kondisi domain, stress, dan suhu.

Parameter histerisis bergantung dari ukuran butir, maka kurva tersebut menjadi penting dalam mengukur ukuran butir dari sample alam.

BAHAN MAGNETIK DOMAIN MAGNETIK

Bahan ferro-, antiferro- dan ferrimagnetik memiliki magnetisasi spontan Sifat kemagnetan ini dapat ditunjukkan dengan adanya elemen volume magnetic yang disebut Domain Magnetic

BAHAN MAGNETIK ANISOTROPI MAGNETIK

Anisotropi magnetik adalah kebergantungan sifat magnetic oleh arah dari magnetisasi

Anisotropi digolongkan menjadi beberapa tipe yaitu: Tipe Dipengaruhi olehMagnetokristalin strukturBentuk bentuk butirTekanan (Stress) tekanan yang diberikan

Anisotropi magnetic sangat mempengaruhi bentuk dari kurva histerisis dan control dari remanensi dan koersivitas

Anisotropi Magnetokristalin

Adalah sifat intrinsic dari bahan ferrimagnetik yang tidak terpengaruh oleh bentuk dan ukuran dari butir magnetic Hal ini dapat mudah dilihat dengan melakukan pengukuran magne-tisasi pada arah yang berbeda pada sebuah kristal magnet

BAHAN MAGNETIK

• Anisotrophy karena Tekanan

Yaitu perubahan magnetisasi yang timbul akibat berubahnya tekanan

Suseptibilitas akan berkurang dengan bertambahnya tekanan pada arah yang sama dengan medan magnet yang diberikan

Sebaliknya akan bertambah dengan bertambahnya tekanan pada arah yang berlawanan dengan arah medan magnetnya

• Anisotropi Bentuk

Tipe anisotropi karena bentuk butiran, bagian bentuk butir yang tajam akan memiliki magnetisasi dan menghasilkan kutub kutub magnet di permukaannya

Ujung ujung butir akan menghasilkan kutub magnet yang menghasilkan medan magnet yang berlawanan arah dengan arah magnetisasinya

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

Sifat Kemagnetan dari Mineral

Mineral juga dapat diklasifikasikan sebagai:

• Mineral Diamagnetik• Mineral Paramagnetik

• Mineral Ferromagnetik• Mineral Antiferromagnetik

• Mineral Ferrimagnetik

Suatu bahan diklasifikasikan berdasarkan atomnya. Mineral, juga diklasifikasikan berdasarkan unsur atomnya.

Di alam, mineral yang umum dijumpai adalah mineral diamagnetik. Tetapi mineral ini tidak berdiri sendiri melainkan berasosiasi dengan mineral lainnya misalnya mineral yang mengandung unsur Fe dan Ti, sehingga menaikkan nilai suseptibilitasnya.

Untuk mineral paramagnetik umumnya nilai suseptibilitasnya dikontrol oleh kandungan ion Fe2+, Fe3+, dan Mn2+. Dari hubungan antara kandungan ion Fe (dalam % berat ion terhadap berat mineral) dan nilai suseptibilitasnya, didapatkan persamaan empiris yang masih perlu di kaji kembali.

Tabel Nilai Suseptibilitas dari Mineral Diamagnetik

Tabel Nilai Suseptibilitas dari mineral Paramagnetik

Karena suseptibilitas paramagnetik dikontrol oleh kandungan Fe maka secara empiris korelasi antara suseptibilitas dan kandungan Fe (CFe) adalah:

κ = 3.48 CFe κ dalam m3 kg-1

1 biotit2 amphibolite3 piroksin

Mineral Composition Magnetic Order Tc(°C) s (Am2/kg)

Oxides

Magnetite Fe3O4ferrimagnetic 575-585 90-92

Ulvospinel Fe2TiO2AFM -153

Hematite Fe2O3canted AFM 675 0.4

Ilmenite FeTiO2AFM -233

Maghemite Fe2O3ferrimagnetic ~600 ~80

Jacobsite MNFe2O4ferrimagnetic 300 77

Trevorite NiFe2O4ferrimagnetic 585 51

Magnesioferrite MgFe2O4ferrimagnetic 440 21

Sulfides

Pyrrhotite Fe7S8ferrimagnetic 320 ~20

Greigite Fe3S4ferrimagnetic ~333 ~25

Troilite FeS AFM 305

Oxyhydroxides

Goethite FeOOH AFM, weak FM ~120 <1

Lepidocrocite FeOOH AFM(?) -196

Feroxyhyte FeOOH ferrimagnetic ~180 <10

Metals & Alloys

Iron Fe FM 770

Nickel Ni FM 358 55

Cobalt Co FM 1131 161

Awaruite Ni3Fe FM 620 120

Wairauite CoFe FM 986 235

Jenis magnetic dan suhu curie untuk beberapa mineral

iron-titanium oxidesiron-titanium oxidesUntuk mineral ferro-, antiferro, dan ferrimagnetik, unsur utama dari penyusun mineralnya yang sangat signifikan dalam mempegaruhi nilai suseptibilitasnya yaitu besi (Fe) dan iron-titanium oxides (Fe-Ti-oxida).

Iron oxyhydroxides dan iron sulphides juga signifikan tetapi umumnya tidak melimpah. Fe-Ti-oxides merupakan unsur yang sangat dominan terutama pada batuan vulkanik. System dari unsur inilah yang mendasari dalam pengetahuan tentang karakteristik ferrimagnetik dalam batuan (Nagata 1966).

Sistem Fe-Ti-oxida ini kemudian dibagi menjadi dua jenis yaitu :

1. Simple oxide minerals of interest in rock magnetism: FeO (wustite), FeTiO3 (ilmenite), Fe3O4 (magnetite), Fe2TiO4 (ulvospinel), γ-Fe2O3 (maghemite), Fe2TiO5 (pseudobrookite), α-Fe2O3 (hematite), FeTi2O5 (ilmeno-rutile, ferropsudobrookite).

2. Four series (solid solution series) : Titanomagnetite, pseudobrookite,ilmeno-hematite, titanomaghmite.

Titanomagnetite series : struktur kubikSeries ini memiliki system : Fe3-xTixO4 dengan 0 ≤ x ≤ 1Saturasi magnetisasi, suseptibilitas, dan temperature-curie akan berkurang dengan naiknya harga x sesuai dengan persamaan Tc=85i – 580 x -150 x2

Menurut Bleil dan Petersen, (1982) system series inilah yang umumnya dijumpai pada batuan beku.

ilmeno-hematite series : struktur hexagonal/rhombohedralSeries ini memiliki system : Fe2-xTixO3 dengan 0 ≤ x ≤ 1Series ini memilki orientasi yang karakteristik: hematite memberikan nilai remanen magnetisasi pada batuan sediment secara dominan.

Pseudobrookite : struktur orthorhombicSeries ini ditentukan berdasarkan komposisi pseudobrookite Fe2TiO5 dan

ferropseudobrookite FeTi2O5. Pada suhu kamar, pseudobrookite merupakan mineral paramagnetic. Proses alami terjadi pada batuan beku dan metamorf.

Titanomaghmite : struktur spinelSeries ini diturunkan dari oksidasi titanomagnetites pada suhu di bawah 300ºC dari perubahan

Fe2+ → Fe3+. Salah satunya yaitu maghemite dan lainnya dirumuskan dalam formula (Fe,Ti,δ)3O4, dimana δ menandakan variasi kekosongan ion metal pada struktur Kristal.

Kemagnetan series ini sangat dikontrol oleh komposisi kimianya, dan dipengaruhi oleh rasio oksidasinya. Suhu Curie-nya akan menurun sebanding dengan penurunan nilai oksidasi

rasionya. Series ini adalah unsur utama pada basement basaltic lautan, tetapi juga ditemukan pada batuan beku

Struktur spinel , magnetit (Fe3O4) yang mengkristal

Struktur hexagonal , hematite yang mengkristal

Kemagnetan fluidaKemagnetan fluida

Umumnya fluida bersifat diamagnetic dan memiliki pengaruh yang sangat kecil terhadap kemagnetan batuan. Untuk cairan, Kabronova (1989) meberikan nilai suseptibiliasnya :

Kair = -0.9 . 10-5 dan Kminyak = -1.04 . 10-5

Mineralisasi memiliki efek yang kecil terhadap fluida, umumnya garam bersifat diamagnetic. Gas juga bersifat diamagnetic kecuali oksigen yang bersifat paramagnetic.

Untuk itu udara memiliki nilai suseptibilitas yang positif sebesar 0.04 . 10-5, sedangkan hydrocarbon harga suseptibilitasnya berkisar (-10-8).

Kemagnetan batuanKemagnetan batuan

Kemagnetan batuan sangat dikontrol oleh kandungan mineralnya. Oleh karena itu nilai susetibilitas batuan sebenarnya tidak dapat ditenetukan dari jenis litologinya, tetapi dari unsur mineralnya.

Walaupun unsur mineral pada batuan ini sangat kecil, tetapi justru sangat berpengaruh dalam menentukan kemagnetan batuan tersebut.

Kebanyakan batuan mangandung unsur mineral diamagnetic dan paramagnetic. Sedangkan kemagnetan batuan umumnya disumbangkan oleh keberadaan mineral ferrimagnetik walaupun kuantitasnya jarang yang melebihi 10 % dari total volume.

Pada batuan magmatic, suseptibilitasnya akan menurun sebanding dengan pelapukan yang terjadi pada batuan tersebut, sedangkan pada batuan sedimen, akan meningkat sebanding dengan kandungan mineral lempungnya.

Sifat kemagnetan Batuan

1. Sifat kemagnetan bergantung atas ketidak homogenan kimiawi, pengendapan dan atau kristalisasi, dan kondisi post-formasi

2. Sifat kemagnetan tidak sepenuhnya ditentukan oleh tipe litologi batuan (nama geologinya)

Mineral yang paling banyak terdapat di batuan adalah mineral paramagnetik atau diamagnetik

• Suseptibilitas dari tiap tipe batuan bervariasi terhadap ukuran mineralnya

• Suseptibilitas dari batuan magmatik meningkat dari asam ke basa.

• Suseptibilitas dari batuan sediment meningkat sesuai peningkatan kandungan lempung-nya (clay)

Selain unsur mineralnya, kondisi batuan juga mempengaruhi magnetisasinya, diantaranya :

Kondisi genetikDamm (1988) melakukan penelitian pada dua intrusi batu granit yang berbeda dari segi umurnya, dan menemukan hubungan sacara linear antara intrusi yang lebih muda terhadap intrusi yang lebih tua. Dimana untuk batuan yang lebih tua, nilai suseptibilitasnya lebih kecil dibanding batuan yang lebih muda walaupun dipengaruhi oleh kuat medan magnet yang sama

AlterasiPlatou (1968) melakukan penelitian pada batu granit yang menunjukkan bahwa alterasi dari mineral mafic (hornblende dan biotit) ke chlorite dan magnetite, akan menaikkan nilai suseptibiitasnya sebanding dengan naiknya tingkat alterasinya.

n = banyaknya pengukuran 1 = intrusi muda2 = intrusi tua

Kandungan mineral lempungKopf et al (1981) menemukan hubungan antara suseptibilitas dan kandungan mineral lempung (dalam persen diukur dengan menggunakan analisis sinar-X) pada batu lempung, batulanau, dan batupasir, yang dirumuskan dalam persamaan empiris :

Kandungan bahan magnetikMagnetite merupakan unsur yang umum dari system Fe-Ti-oxides (Hearst dan Nelson, 1985) merumuskan hubungan antara suseptibilitas dan kandungan bahan magnetic sesuai dengan persamaan :Dimana Vm adalah kuantitas magnetite dalam % volume, sedangkan a dan b adalah variable empiris.

1 granit2 diorite dan gabro3 hiperbasit

Tabel nilai konstanta empiris dari batuan

Sebagai contoh, mooney dan bleifuss (1953) melakukan percobaan terhadap batu diabas dan iron formation dan mendapatkan persamaan berikut :

Densitas dan Kandungan FeWanstedt (1922) melakukan penelitian terhadap kandungan Fe terhadap suseptibilitas pada malmbergit (swedia) dan menemukan hubungan yang nonlinear yang dapat dirumuskan sebagai berikut :

k = 0.0064 . (Fe –content)1.71

sedangkan hubungan antara kandungan Fe terhadap densitas dapat dirumuskan sebagai berikut :

d = 33.7 (Fe-content) + 2583.5 densitas dalam Kg/m3 dan Fe-content dalam %

Table kandungan mineral magnetic pada batuan

Bentangan/kisaran nilai suseptibilitas batuan

Untuk batuan metamorf ditunjukkan perbedaan karakter batuan berdasarkan perbedaan genesanya (para- dan orto-metamorf)

Am = amphibolit ch-bc = cloritik-biotitikb-am = biotitic-ampibiolitikFe-Q = Fe-Quarsit

untuk diabas κ = 0.0336 Vm1.14 untuk formasi besi κ = 0.0116 Vm1.43

Pengaruh Ukuran Butir dan Bentuk Butir dengan Suseptibilitas

κ = 0.101 ln d + 0.502

κ = 0.277 ln d - 0.423 d dalam μm

a/bEllipsoid = perbandingan 2 diameter sumbuSilinder = perbandingan tinggi dengan diameterPrisma = perbandingan tinggi dgn lebar

Vm = volume dari bahan magnetic

κint = suseptibilitas mineral intrinsikN = factor demagnetisasi dari bentuk butir

Untuk batuan dengan ukuraan butir yang lebih besar, suseptibilitas magnetik dipengaruhi oleh efek demagnetisasi.

Pengaruh Struktur Batuan dengan Suseptibilitas

Pengaruh dari struktur batuan dengan sifat kemagnetan adalah fenomena dari anisotropi magnetic

κ1 (suseptibilitas maksimum), κ2 (suseptibilitas menengah), κ3 (suseptibilitas maksimum)

Suseptibilitas rata rata

TIPE REMANENSI

(Natural Remanent Magnetization – NRM) yaitu jumlahan vector magnetisasi dari semua komponen yang berbeda yang didapatkan dari domain domainnya

Magnetisasi primer Magnetisasi sekunder

waktu, suhu, atau perubahan sifat kimiawi

TIPE REMANENSI Remanensi Akronim Proses Magnetisasi

Thermoremanent Magnetization

Chemical Remanent Magnetization

Viscous Remanen Magnetization

Isothermal Magnetization

Anhisteretic Magnetization

Depositional Remanent Magnetization

Post Depositional Remanent Magnetization

Magnetisasi diperoleh selama pendinginan dari suhu diatas suhu curie di suatu medan magnet luar.

Magnetisasi yang diperoleh selama perubahan sifat kimiawi dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh selama waktu tertentu dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh seketika dalam suatu medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh dari efek gabungan medan magnet yang besar dengan medan DC yang kecil

Magnetisasi yang diperoleh sediment ketika butiran butirannya tersusun dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh setelah deposisi dan terjadi karena efek mekanika pada sediment yang basah

SEKIAN

Sifat Magnet Batuan

Documents