Bab 4 Sifat Kemagnetan Batuan

FISIKA BATUAN
DEFINISI DAN SATUAN
Terdapat tiga vector magnetic:
1. H
2. M
3. B
Medan magnet
Magnetisasi
Induksi Magnet
Medan magnet di tengah lingkaran
Momen magnetik
Magnetisasi
Momen magnetik
perunit massa
Suseptibilitas magnetik
Suseptibilitas massa
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 medium
Bahan 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 atomatomnya. 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 magnetik
suseptibilitas < -10-5 SI
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:
Susep 10-8 m3kg-1
BAHAN MAGNETIK
PARAMAGNETIK
Paramagnetik: yaitu bahan yang jumlah elektron pada kulit atomnya tidak
lengkap (sebagin ada elektron yang tidak berpasangan)
Memiliki momen magnetik
Suseptibilitas 10-3 - 10-6 SI
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.
Susep 10-8 m3kg-1
BAHAN MAGNETIK
FERROMAGNETIK
Dua 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.
Antiferromagnetik
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.
Memiliki momen magnetik
Ada interaksi antar atom
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
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”
Induksi magnetik (B) adalah jumlahan antara medan yang diakibatkan oleh
kuat medan magnetik luar (H) dan efek magnetisasi (M)
Kurva 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 Histerisis
1. 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 b
b-c : demagnetisasi, M ≠ 0 di I = 0
c-d : arah arus dibalik
d-e : saturasi pada arah yang berlawanan
Pada 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
Bahan ferro-, antiferro- dan
ferrimagnetik memiliki magnetisasi
spontan Sifat kemagnetan ini dapat
ditunjukkan dengan adanya elemen
volume magnetic yang disebut
Domain Magnetic
DOMAIN MAGNETIK
BAHAN MAGNETIK
ANISOTROPI MAGNETIK
Anisotropi magnetik adalah kebergantungan sifat magnetic oleh arah dari magnetisasi
Anisotropi digolongkan menjadi beberapa tipe yaitu:
Tipe
Magnetokristalin
Bentuk
Tekanan (Stress)
Dipengaruhi oleh
struktur
bentuk butir
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 magnetisasi 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 BATUAN
Sifat Kemagnetan dari Mineral
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.
Mineral juga dapat diklasifikasikan sebagai:
• Mineral Diamagnetik
• Mineral Paramagnetik
• Mineral Ferromagnetik
• Mineral Antiferromagnetik
• Mineral Ferrimagnetik
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
Tabel
Nilai Suseptibilitas dari Mineral Diamagnetik
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
Tabel
Nilai Suseptibilitas dari mineral Paramagnetik
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
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 biotit
2 amphibolite
3 piroksin
Composition
Magnetic Order
Tc(°C)
σs (Am2/kg)
Magnetite
Fe3O4
ferrimagnetic
575-585
90-92
Ulvospinel
Fe2TiO2
AFM
-153
Hematite
αFe2O3
canted AFM
675
Ilmenite
FeTiO2
AFM
-233
Maghemite
γFe2O3
ferrimagnetic
~600
~80
Jacobsite
MNFe2O4
ferrimagnetic
300
77
Trevorite
NiFe2O4
ferrimagnetic
585
51
Magnesioferrite
MgFe2O4
ferrimagnetic
440
21
Pyrrhotite
Fe7S8
ferrimagnetic
320
~20
Greigite
Fe3S4
ferrimagnetic
~333
~25
Troilite
FeS
AFM
305
Goethite
αFeOOH
AFM, weak FM
~120
Lepidocrocite
γFeOOH
AFM(?)
-196
Feroxyhyte
δFeOOH
ferrimagnetic
~180
Iron
Fe
FM
770
Nickel
Ni
FM
358
55
Cobalt
Co
FM
1131
161
Awaruite
Ni3Fe
FM
620
120
Wairauite
CoFe
FM
986
235
Mineral
Oxides
Jenis
magnetic
dan suhu
curie untuk
beberapa
mineral
0.4
Sulfides
Oxyhydroxides
<1
<10
Metals & Alloys
iron-titanium oxides
Untuk 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),
Fe2TiO5 (pseudobrookite),
γ-Fe2O3 (maghemite),
FeTi2O5 (ilmeno-rutile, ferropsudobrookite).
α-Fe2O3 (hematite),
2. Four series (solid solution series) :
Titanomagnetite,
pseudobrookite,
ilmeno-hematite,
titanomaghmite.
Titanomagnetite series : struktur kubik
Series ini memiliki system : Fe3-xTixO4 dengan 0 ≤ x ≤ 1
Saturasi 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/rhombohedral
Series ini memiliki system : Fe2-xTixO3 dengan 0 ≤ x ≤ 1
Series ini memilki orientasi yang karakteristik: hematite memberikan nilai remanen
magnetisasi pada batuan sediment secara dominan.
Pseudobrookite : struktur orthorhombic
Series 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 spinel
Series 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 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 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
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 genetik
Damm (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
Alterasi
Platou (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 muda
2 = intrusi tua
Kandungan mineral lempung
Kopf 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 :
1 granit
2 diorite dan gabro
3 hiperbasit
Kandungan bahan magnetik
Magnetite 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.
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
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 Fe
Wanstedt (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 %
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
Table kandungan mineral magnetic pada batuan
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
Bentangan/kisaran nilai suseptibilitas batuan
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
Untuk
batuan metamorf ditunjukkan perbedaan
karakter batuan berdasarkan perbedaan genesanya
(para- dan orto-metamorf)
Am
ch-bc
b-am
Fe-Q
= amphibolit
= cloritik-biotitik
= biotitic-ampibiolitik
= Fe-Quarsit
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
untuk diabas
untuk formasi besi
κ = 0.0336 Vm1.14
κ = 0.0116 Vm1.43
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
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
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
Untuk
batuan dengan ukuraan butir yang lebih besar, suseptibilitas
magnetik dipengaruhi oleh efek demagnetisasi.
Vm ⋅ κ int
κ=
1 + N ⋅ κ int
a/b
Ellipsoid
Silinder
Prisma
Vm
= volume dari bahan magnetic
κint
= suseptibilitas mineral intrinsik
= factor demagnetisasi dari bentuk butir
N
= perbandingan 2 diameter sumbu
= perbandingan tinggi dengan diameter
= perbandingan tinggi dgn lebar
SIFAT KEMAGNETAN BATUAN
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 minimum)
Suseptibilitas rata rata
κ=
κ1 + κ 2 + κ 3
3
TIPE REMANENSI
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
Remanensi
Akronim
Proses Magnetisasi
TIPE REMANENSI
Thermoremanent
Magnetization
TRM
Magnetisasi diperoleh selama pendinginan dari
suhu diatas suhu curie di suatu medan magnet
luar.
Chemical Remanent
Magnetization
CRM
Magnetisasi yang diperoleh selama perubahan
sifat kimiawi dalam sebuah medan magnet luar
Viscous Remanen
Magnetization
VRM
Magnetisasi yang diperoleh selama waktu
tertentu dalam sebuah medan magnet luar
Isothermal Magnetization
IRM
Magnetisasi yang diperoleh seketika dalam suatu
medan magnet luar
Anhisteretic Magnetization
ARM
Magnetisasi yang diperoleh dari efek gabungan
medan magnet yang besar dengan medan DC
yang kecil
Depositional Remanent
Magnetization
DRM
Magnetisasi yang diperoleh sediment ketika
butiran butirannya tersusun dalam sebuah medan
magnet luar
Post Depositional Remanent
Magnetization
pDRM
Magnetisasi yang diperoleh setelah deposisi dan
terjadi karena efek mekanika pada sediment
yang basah
SEKIAN