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Cátedra de Geofísica Aplicada Tema 5 Magnetrometría, Instrumental y Aplicaciones

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INSTRUMENTAL Y APLICACIONES MAGNETOMÉTRICAS

MAGNETÓMETROS

Veremos aquí una brevísima explicación del fundamento de los principales tipos de instrumentos de medición utilizados en la prospección magnetométrica.

� Variómetros o Balanzas magnéticas: Pueden ser de componente vertical u horizontal, según los distintos diseños. La balanza más antigua fue la inventada por John Mitchell, como se citó. Y poco más de un siglo después, en 1789, los alemanes Thalen y Tiberg, diseñaron el primer instrumento específico de prospección geofísica con el que catearon exitosamente yacimientos de hierro en Alemania y otros países.


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Balanza de Schmid: Empleada desde 1914 en Potsdam, es de tipo vertical y ha sido una de las más utilizadas, aunque las balanzas son ya instrumentos más bien históricos. Se trata de un imán pivoteando cerca de su centro de masa. El desequilibrio gravimétrico producido se compensa mediante la componente magnética. Consta de un sistema óptico que permite observar las variaciones del imán.

� Magnetómetro de Torsión: Imán suspendido por hilos metálicos en tensión. La torsión del hilo es una medida directa de la intensidad vertical registrada en un disco graduado. De principios del siglo XX es también un aparato casi en desuso.

� Inductor Terrestre : Este aparato -arriba a la izquierda- fue desarrollado por Charles Delzenne en Francia (1844) para investigación y décadas después se lo comenzó a emplear en ocasiones para prospección. Se basa en la medición de corriente inducida (mediante un galvanómetro de gran sensibilidad) en una bobina cuyo eje varía convenientemente de posición (sistema tipo cardan). Permite medir inclinación y declinación magnéticas, como también la intensidad del campo en función del área y número de vueltas de cable -valores fijos para cada aparato- y de la velocidad de giro que adopta, algo que resulta complicado de manejar. (Un arreglo similar, girando en base a una fuerza como el viento o el agua, constituye un generador eléctrico.)

Magnetómetro de Bobinas de Flujo (flip-coil magnetometer): Basado en el principio del inductor terrestre, es un diseño de mediados del siglo XX para ser montado en la cola de un avión. Tiene un sistema de compensación de masa (barritas de metal) y un sistema de tipo cardan que permite la orientación para medir la componente total en la dirección en que éste es máximo. Posee tres elementos detectores formados por bobinas: dos para posición de una tercera que mide el campo, ya que el potencial eléctrico

inducido será proporcional a la fuerza del campo magnético en que se mueve.

. Brújula de Inclinación: Este instrumento (izquierda) mide la variación de la intensidad vertical Z (ó V). Se constituye de una aguja imantada que puede moverse libremente en un plano vertical y que lleva fijada a un lado del eje un peso ajustable que genera un par de torsión gravitatorio que resulta equilibrado por un par de torsión magnético (imán).


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Cualquier variación de la componente vertical del campo terrestre cambia el momento de la fuerza magnética y por tanto el ángulo de inclinación de la aguja. Se debe orientar el imán en un plano vertical y los polos del imán paralelos a la dirección del componente total del campo. Se la emplea sólo para trabajos expeditivos que no requieren de mucha precisión.

Superbrújula de Hotchkiss: Su construcción es parecida a la de la brújula de inclinación, pero permite medir la variación de la intensidad total F de un campo magnético, para lo cual tiene una barra auxiliar no magnética, que lleva un contrapeso regulable extra. Para medir la variación de F se orienta los polos del imán paralelamente a la dirección del campo total y la medición se realiza orientando la superbrújula en una dirección perpendicular al meridiano magnético. Aunque es mejor que la anterior, se la utiliza básicamente para trabajos expeditivos.

� Magnetómetro Discriminador de Flujo (fluxgate magnetometer): Desarrollado a fines de la década de 1930 en Estados Unidos por el ruso Víctor Vacquier y empleado durante la Segunda Guerra Mundial para detección de submarinos. Se lo conoce también como de núcleo saturable, ya que está basado en la saturación de un circuito electromagnético de dos bobinados sobre núcleos de ferrita -que forman el circuito primario-, más un bobinado externo de medición -circuito secundario-. En presencia de un campo exterior aparecen armónicos pares cuya amplitud es proporcional al mismo. Mediante una bobina exterior se crea un campo magnético que anule el efecto terrestre y se mide la intensidad que circula por ella.

� Magnetómetro de Precesión Protónica o Resonancia Magnética Nuclear: El principio de la RMN fue descubierto en 1938 en Estados Unidos por el polaco Isidor Rabi y aplicado desde 1946 por Bloch y Purcell, fundamentándose en el movimiento


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precesional develado por el irlandés Joseph Larmor hacia 1900. En magnetometría prospectiva su uso empezó a fines de la década de 1950, utilizándose los protones de una muestra de agua, sometiéndolos a un campo magnético exterior para orientar los momentos magnéticos de los protones. Al cesar el campo los protones tenderán a orientarse según el campo magnético terrestre de acuerdo a un movimiento de precesión amortiguado. Este movimiento supone una variación del flujo magnético y por lo tanto en una bobina se produce una fem de frecuencia que puede medirse. Como el oxígeno no da respuestas magnéticas, toda la resonancia se debe a los protones del hidrógeno, cuya constante girométrica es de 23,5 γ/Hz.

Magnetómetro de Overhauser: Es semejante al anterior pero, en este caso, la resonancia magnética, además de a nivel protónico, tiene lugar también en los iones paramagnéticos que conforman la sustancia, fenómeno descubierto por el estadounidense Albert Overhauser en 1953 y aplicado en prospección magnética desde los años de 1960. Se aplica primero un campo de microondas que produce la resonancia de los electrones no apareados de la sustancia líquida, para después aplicar una señal de radiofrecuencia que genera el acople de la señal resonante de los electrones con la de los núcleos, efecto que suele dar respuestas unas mil veces más intensas que la RMN pura, pero que requiere de un mayor intervalo entre mediciones.

La precisión instrumental está en el orden de los 0.01nT. La imagen presenta un arreglo de dos magnetómetros para medición de gradiente, en este caso vertical, disposición que se puede realizar también en otras direcciones y con otros tipos de magnetómetros, los que así conforman entonces gradiómetros magnéticos.

Magnetómetro de Absorción Óptica o Vapor de Álcali: Es otra variante del magnetómetro de RMN utilizado desde mediados de la década de 1960, que se distingue por la forma de medición de la frecuencia de Larmor, ya que utiliza la


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inestabilidad óptica que presentan vapores de rubidio, cesio, etc. El fenómeno de separación del espectro luminoso en presencia de un campo magnético fue descubierto por el holandés Pieter Zeeman en 1896. Cuando los núcleos atómicos del vapor de álcali entran en resonancia, el paso de luz polarizada a través de la misma se hace casi nulo, minimizándose en consecuencia la intensidad luminosa detectada, a partir de lo cual automáticamente se regula la frecuencia entregada por un generador a los valores de resonancia en Hz, que se pueden equiparar a intensidad en γ. Abajo se ve el esquema y fotografías de un modelo terrestre y de otro marino.

. Magnetómetro Criogénico o SQUID: Acrónimo de Superconducting QUantum Interference Device, es un moderno dispositivo de muy alto costo y gran precisión que registra mediante un toroide superconductor en el que en todo momento se genera una corriente eléctrica cuya tensión resulta proporcional al campo magnético terrestre. También se lo emplea para determinar la susceptibilidad en muestras de laboratorio, en reemplazo de otros dispositivos más convencionales.

Aparatos de Laboratorio: Para conocer el valor de k en especímenes seleccionados se emplean usualmente alguna balanza magnética de laboratorio, como las de Gouy o Evans, o bien el puente de inductancia. Este último es un dispositivo que consiste en un circuito doble que induce un campo electromagnético prefijado sobre cada muestra tomada de la superficie o de pozos, calicatas o galerías. El voltaje necesario para balancear la respuesta de la roca o mineral muestreado en el puente es función de su susceptibilidad magnética.

PROSPECCIÓN AEROMAGNÉTICA

Tiene como ventajas una mayor rapidez para ejecutar los trabajos, la posibilidad de obtener datos sobre regiones pantanosas, junglas, etc. y la minimización de los efectos perturbadores debidos a irregularidades próximas a la superficie que dificultan el reconocimiento de las anomalías producidas por rocas más profundas, así como ruidos debidos a la presencia de objetos metálicos -aunque sí serán visibles desde el aire plantas generadoras, líneas de alta tension, grandes ductos, etc.-. Alturas de vuelo típicas en prospección minera son 150 a 200 metros, mientras que suele volarse a 1000 ó más metros para exploración de hidrocarburos. La separación lateral entre líneas tiende a ser una distancia que duplica la altura de vuelo y no mayor que la profundidad máxima de interés (por ejemplo, el basamento de una cuenca). Se debe tener un segundo magnetómetro para


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conocer la deriva diurna o bien volver a pasar por un punto base cada hora o menos, a no ser que se disponga de datos de algún observatorio en la zona de trabajo. Normalmente se mide la componente total en la dirección del campo magnético, es decir que las anomalías registradas resultan de las locales y las del campo terrestre. Los magnetómetros utilizados son los discriminadores de flujo y los de resonancia magnética en cualquiera de sus variantes. Desde un avión se los puede llevar en la proa de la nave o extremo de un ala, o más raramente en un planeador remolcado. Desde helicóptero lo más común es llevarlo pendiendo de un cable -como en la imagen de la página 4-, y existe la opción de emplear arreglos para medir gradiente magnético, tal como se puede apreciar en la fotografía de la izquierda.

Arriba se ve el mapa aeromagnético de gradiente vertical del continente australiano, realizado por integración de numerosos trabajos de cobertura areal.

APLICACIONES DE LA MAGNETOMETRÍA

En la interpretación magnetométrica suele ser difícil decidir si los cambios a lo largo de un mapa o perfil se deben a estructuras o a cambios estratigráficos laterales. En el caso de que no se pueda definir claramente la forma de una anomalía magnética y en presencia de una anomalía previamente detectada por otros métodos geofísicos o geológicos, se orienta el eje de la anomalía magnética en la misma dirección que el eje de la anomalía, que por ejemplo podría ser conductiva, hallada por geoeléctrica, o de gravedad como en la figura adjunta. Esto podría responder a la presencia de falla y pilar tectónico elongado, de interés como trampa de hidrocarburos, o de un dique con una probable mineralización metalífera, según sea la escala de la estructura y el ámbito geológico en la que se encuentra.


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Muchas veces varias estructuras causantes de anomalías magnéticas son paralelas entre sí, como es el caso de un sistema de diques subparalelos, o de estratos muy inclinados entre los que se intercalan algunos con alto contenido en minerales magnéticos. En el caso de que tengamos una anomalía central y otras flanquéandola, una interpretación posible, entre muchas otras, sería la presencia de un cuerpo de peridotita (roca plutónica de olivino y piroxeno) rodeado por sulfuros de alto contenido en pirrotina (FeS). Un ejemplo vinculado a rocas plutónicas intruyendo rocas metamórficas puede apreciarse en la figura de abajo, resultante de un relevamiento aeromagnético en el centro-norte del Chubut, con tres anomalías magnéticas principales.

Aplicaciones magnetométricas mineras:

Este método se aplica en las exploraciones mineras con los siguientes objetivos principales: -Búsqueda de minerales magnéticos como magnetita, ilmenita o pirrotina. -Localización de minerales magnéticos asociados paragenéticamente con minerales no magnéticos de interés económico. -Determinación de las dimensiones (tamaño, contorno, profundidad) de estructuras de zonas mineralizadas cubiertas por capas aluviales o vegetales.

La mayor parte de la producción de hierro mundial se explota de depósitos de origen sedimentario de composición primaria oolítica y silícea. El resto se extrae de depósitos de origen magmático con minerales de Fe de ese mismo origen o bien residuales después de la meteorización de las demás componentes de las rocas magmáticas. Los depósitos de Fe asociados con rocas magmáticas frecuentemente están caracterizados por un cociente magnetita/hematita alto y en consecuencia pueden ser detectados directamente por las mediciones magnéticas. Las taconitas, por ejemplo, son depósitos de Fe de origen sedimentario. Su carácter magnético depende de su estado de oxidación, puesto que la magnetita se descompone por oxidación. Las


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taconitas oxidadas son mucho menos magnéticas que las taconitas inalteradas, lo que hace más difícil su detección por este método geofísico. El método magnético permite localizar depósitos de Fe situados en cierta profundidad y cubiertos por otras formaciones geológicas no magnéticas, tal el caso de los rellenos hidrotermales de fracturas de Pea Ridge Mountain, Missouri, descubiertos por medio de sondeos realizados a lo largo de una anomalía magnética de forma longitudinal. Un caso opuesto es el del gran yacimiento de hierro del Lago Allard, en Canadá, donde el mineral ferrífero, la hematita, es antiferromagnética y por lo tanto indetectable por este método prospectivo.

Por su asociación paragenética con minerales magnéticos, minerales no magnéticos, como los metales básicos níquel, cobre y oro, por ejemplo, pueden ser asimismo detectados por este método. También platino como puede apreciarse en el siguiente trabajo prospectivo en Canadá.

Igualmente se emplea la magnetometría con frecuencia en la exploración de diamantes, localizados en chimeneas volcánicas de kimberlitas o lamprófidos, ya que su contenido en magnetita e ilmenita permite que sean localizadas por este método. Se han encontrado chimeneas de kimberlitas en los Estados Unidos, en la ex Unión Soviética y en Sudáfrica, así como también en Namibia, país de donde proviene la figura de abajo, en yacimientos del desierto de Kalahari.


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Otras aplicaciones de la magnetometría:

Más ampliamente, la prospección magnetométrica es útil para estudiar el subsuelo, diferenciando la mayor o menor presencia, en extensión o profundidad, de rocas que poseen altas concentraciones de minerales magnéticos respecto de otras que los poseen escasamente. Y esta información puede permitir interpretaciones sobre problemáticas geológicas muy diversas. Una aplicación geológica regional puede ser el levantamiento de tendencias estructurales en una zona extensa de rocas afloradas saltuariamente debido a una cobertura de sedimentos geológicamente recientes o un desarrollo de suelo con vegetación. El complemento de un relevamiento aeromagnético cuyo mapeo resultante ilumine tales tendencias -por ejemplo el rumbo de un emplazamientos intrusivos o de un planos de falla, etc.- puede ser de gran ayuda para completar el mapeo geológico, de modo que se combinan los datos geológicos obtenidos de algunos pocos afloramientos distribuidos irregularmente con las tendencias aeromagnéticas registradas. Un ejemplo de mapeo aeromagnetométrico es el que se grafica a continuación, en los Estados Unidos.

Algo análogo puede suceder en presencia de datos geológicos de sondeos con fines mineros, hidrogeológicos o petroleros. Datos aéreos, o bien terrestres, pueden dar valiosa información complementaria. Otros objetivos de interés pueden ser ruinas sepultadas de carácter arqueológico (el caso a la derecha), aplicaciones de índole medioambiental, estructuras volcánicas activas (figura de la siguiente página), y muchas más.


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Exploración magnética para hidrocarburos:

En la búsqueda de petróleo y gas natural se emplea el método magnético para determinar la geometría (extensión, dimensión y potencia) de cuencas sedimentarias, que pueden generar, migrar, almacenar y entrampar hidrocarburos, así como estructuras significativas, como anticlinales o pilares tectónicos (véanse los perfiles de la página siguiente a la izquierda), e incluso domos de sal por su carencia de minerales magnéticos. El basamento ígneo o metamórfico, con mayor susceptibilidad magnética, se acerca a la superficie en los bordes de la cuenca o en altos intracuencales que entonces expresan mayor valor de dicha anomalía geofisica. Otras veces los resultados magnéticos permiten planificar y definir más precisamente la eventual cobertura de los registros sísmicos, que suelen dar una información bastante más rica pero son mucho más costosos en comparación al método magnético. O suplir parcialmente su ausencia, si la adquisición de sísmica no pudiera hacerse por razones poblacionales o ambientales. También existen aplicaciones denominadas de Micromagnetismo. Esto parte de la obtención de mediciones locales de cierta precisión desde las que se puede llegar a inferir la presencia de hidrocarburos cuando, como suele ocurrir naturalmente, los sellos de las trampas no han sido totalmente eficientes y pequeñas filtraciones de hidrocarburos han generado condiciones de magnetización en sedimentos someros, por la formación de minerales magnéticos autigénicos vinculada a procesos de biodegradación del petróleo fugado hacia niveles subsuperficiales. En la página siguiente a la derecha se ilustran estas aplicaciones.


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Además se efectúan registros magnéticos de pozo, como la herramienta cuentacuplas o el perfil de resonancia magnética nuclear. La Herramienta Cuentacuplas (casing collar locator) se corre a pozo entubado con el fin de identificar los ensambles o collares entre los caños del encamisado (casing), a partir de incrementos en la señal dados por un magnetómetro discriminador de flujo (fluxgate). Útil para correlacionar perfiles a pozo entubado o bien para servir de referencia de profundidades en las operaciones de terminación. Comparación de los métodos magnético y gravimétrico:

El método magnético de exploración tiene algunos aspectos en común con el método gravimétrico. Los dos métodos hacen uso de campos de potenciales (el trabajo realizado para cambiar de nivel es independiente del camino recorrido), detectan anomalías causadas por variaciones en las propiedades de las rocas, que constituyen los primeros kilómetros de la superficie terrestre, sus respuestas disminuyen rápidamente con la distancia del punto de medición a la masa anómala, y los dos métodos tienen aplicaciones similares en la exploración petrolera. A través de los datos gravimétricos se asignan densidades, a partir de los datos magnéticos se asignan susceptibilidades magnéticas y la imantación remanente a rasgos definidos por la sísmica. Combinando los resultados magnéticos, gravimétricos y sísmicos se puede obtener informaciones acerca de la litología, que son de alta importancia en la evaluación de proyectos de prospección de hidrocarburos. En lo que concierne la interpretación, el método magnético es más complejo en comparación al método gravimétrico, si bien, como se dijo, la gravedad debe medirse con gran precisión (variación máxima de 5 en 1000 a escala de todo el planeta) en tanto que el magnetismo es más del doble en los polos que en el ecuador. Pero la intensidad magnética tiene magnitud y dirección y depende de la susceptibilidad magnética y de la imantación remanente de la roca, esto además de que sufre variaciones temporales muy grandes que deben corregirse con cuidado La fuerza magnética puede atraer o repulsar algo. Los efectos magnéticos pueden ser causados por componentes de poca abundancia en una roca. En el caso del método gravimétrico la masa, que determina la gravedad, solo tiene magnitud y depende de la densidad. La fuerza gravitatoria es atractiva. Generalmente los efectos gravitatorios se originan de los constituyentes principales de una roca. CUESTIONARIO BÁSICO

-¿En qué se basan los distintos instrumentos magnetométricos?

-¿Cómo se opera en aeromagnetometría?

-Indicar aplicaciones de los mapas isoanómalos magnéticos.

-¿Qué aplicaciones petroleras tiene el método?

-¿Qué es el micromagnetismo?

BIBLIOGRAFÍA

-Cantos Figuerola, 1972. Tratado de Geofísica Aplicada (pag.105-180). Librería de Ciencia e Industria

-Griffiths y King, 1972. Geofísica Aplicada para Ingenieros y Geólogos (pag.181-208). Editorial Paraninfo

-Lowrie, 1997. Fundamentals of Geopysics (pag.229-305). Cambridge Univ. Press.

-Parasnis y Orellana, 1971. Geofísica Minera (pag.36-110, 305-310). Editorial Paraninfo.

-Udías y Mezcúa, 1997. Fundamentos de Geofísica (pag.271-362). Alianza Editorial.

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