bab 4 sifat kemagnetan batuan

FISIKA BATUANFISIKA BATUANFISIKA BATUANFISIKA BATUAN

DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN 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 mempengaruhinyayang bergantung pada nilai suseptibilitasmagnetic (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 mediumtersebut, dimana elektron sebagai ion negatif yang menghasilkan momen momen magnetik.

Prinsip utama dari kemagnetan suatu medium bergantung pada spinelektronnya. 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 DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN

Beberapa satuan magnet :

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK

Asal dari magnetisme adalah perputaran (spin) dan pengorbitan dari elektron danbagaimana 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 lebihmagnetik 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 BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK Kelompok Bahan Magnetik

Klasifikasi unsur atas sifat magnetiknya

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK DIAMAGNETIKDiamagnetik: yaitu bahan yang kulit elektronnya lengkap dan terisi olehelektron 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 BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK PARAMAGNETIK

Paramagnetik: yaitu bahan yang jumlah elektron pada kulit atomnya tidaklengkap (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 BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK FERROMAGNETIKMemiliki momen magnetikAda interaksi antar atomDua karakteristik dari bahan ferromagnetik adalah:

Magnetisasi spontan; danTingkat kemagnetan yang bergantung pada suhu.

Magnetisasi spontan adalah total magnetisasi yang terdapatdidalam elemen volume seragam meskipun jika tidak adamedan 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 hampirsama 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 .


Magnetisasi saturasiMagnetisasi saturasi (Msat)adalah magnetisasi maksimum dari momen magnetikyang dapat dicapai pada medan magnetic saturasinya (Hsat), setelah medan initidak 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 mediumferromagnetik, dengan mengubah kuat medan luar dan mengamati induksi magnetik yang muncul.Ketika kuat medan magnetmenjadi 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 sesuaidengan besar H, pada medanmagnetisasi mulai jenuh akankonstan.

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.


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


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

Parameter histerisisbergantung dari ukuranbutir, maka kurvatersebut menjadi pentingdalam mengukur ukuranbutir dari sample alam.

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK DOMAIN MAGNETIK

Bahan ferro-, antiferro- danferrimagnetik memiliki magnetisasispontan Sifat kemagnetan ini dapat ditunjukkan dengan adanya elemenvolume magnetic yang disebutDomain Magnetic

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK ANISOTROPI MAGNETIKAnisotropi 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 bahanferrimagnetik yang tidakterpengaruh oleh bentuk danukuran dari butir magnetic Hal ini dapat mudah dilihat dengan melakukan pengukuran magne-tisasi pada arah yang berbeda pada sebuah kristal magnet


Anisotrophy karena TekananYaitu perubahan magnetisasi yang timbul akibat berubahnya tekanan Suseptibilitas akan berkurang dengan bertambahnya tekanan padaarah yang sama dengan medan magnet yang diberikan

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

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

Ujung ujung butir akan menghasilkankutub magnet yang menghasilkanmedan magnet yang berlawanan arahdengan arah magnetisasinya

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN SIFAT KEMAGNETAN BATUAN SIFAT KEMAGNETAN BATUAN 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. Tetapimineral 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 secaraempiris korelasi antara suseptibilitas dan kandungan Fe (CFe) adalah:

= 3.48 CFe dalam m3 kg-1

1 biotit2 amphibolite3 piroksin

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

Magnetite Fe3O4 ferrimagnetic 575-585 90-92

Ulvospinel Fe2TiO2 AFM -153

Hematite Fe2O3 canted AFM 675 0.4

Ilmenite FeTiO2 AFM -233

Maghemite Fe2O3 ferrimagnetic ~600 ~80

Jacobsite MNFe2O4 ferrimagnetic 300 77

Trevorite NiFe2O4 ferrimagnetic 585 51

Magnesioferrite MgFe2O4 ferrimagnetic 440 21

Sulfides

Pyrrhotite Fe7S8 ferrimagnetic 320 ~20

Greigite Fe3S4 ferrimagnetic ~333 ~25

Troilite FeS AFM 305

Oxyhydroxides

Goethite FeOOH AFM, weak FM ~120

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), -Fe2O3 (maghemite), Fe2TiO5 (pseudobrookite), -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 x2Menurut 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 300C dari perubahan

Fe2+ Fe3+. Salah satunya yaitu maghemite dan lainnya dirumuskan dalam formula (Fe,Ti,)3O4, dimana 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 fluidaUmumnya 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 yangbersifat paramagnetic.

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

Kemagnetan batuanKemagnetan batuanKemagnetan 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 danparamagnetic. Sedangkan kemagnetan batuan umumnya disumbangkan oleh keberadaan mineral ferrimagnetik walaupun kuantitasnya jarang yangmelebihi 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 Batuan1. Sifat kemagnetan bergantung atas ketidak

homogenan kimiawi, pengendapan dan ataukristalisasi, dan kondisi post-formasi

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

Mineral yang paling banyak terdapat di batuan adalahmineral paramagnetik atau diamagnetik

Suseptibilitas dari tiap tipe batuan bervariasiterhadap ukuran mineralnya

Suseptibilitas dari batuan magmatik meningkat dariasam ke basa.

Suseptibilitas dari batuan sediment meningkatsesuai 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 sacaralinear antara intrusi yang lebih muda terhadap intrusi yang lebih tua. Dimana untuk batuan yanglebih 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 darimineral mafic (hornblende dan biotit) ke chloritedan 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 kandunganmineral 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 danNelson, 1985) merumuskan hubungan antara suseptibilitas dan kandungan bahan magnetic sesuai dengan persamaan :Dimana Vm adalah kuantitas magnetitedalam % volume, sedangkan a dan badalah 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)1.71sedangkan 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 perbedaankarakter batuan berdasarkan perbedaan genesanya(para- dan orto-metamorf)

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


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


Pengaruh Ukuran Butir dan Bentuk Butirdengan Suseptibilitas

= 0.101 ln d + 0.502 = 0.277 ln d - 0.423 d dalam m


int

int

1

+

=

NVm

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

Vm = volume dari bahan magneticint = suseptibilitas mineral intrinsikN = factor demagnetisasi dari bentuk butir

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


Pengaruh Struktur Batuan dengan Suseptibilitas

Pengaruh dari struktur batuan dengan sifat kemagnetanadalah fenomena dari anisotropi magnetic

1 (suseptibilitas maksimum), 2 (suseptibilitas menengah), 3 (suseptibilitas minimum)

Suseptibilitas rata rata 3

321 ++

=

TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI


(Natural Remanent Magnetization NRM) yaitujumlahan vector magnetisasi dari semua komponenyang berbeda yang didapatkan dari domain domainnya

Magnetisasi primer Magnetisasi sekunderwaktu, suhu, atauperubahan sifat kimiawi


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

Magnetisasi yang diperoleh selama perubahansifat kimiawi dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh selama waktutertentu dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh seketika dalam suatumedan magnet luar

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

Magnetisasi yang diperoleh sediment ketikabutiran butirannya tersusun dalam sebuah medanmagnet luar

Magnetisasi yang diperoleh setelah deposisi danterjadi karena efek mekanika pada sediment yang basah

TRM

CRM

VRM

IRM

ARM

DRM

pDRM

ThermoremanentMagnetization

Chemical RemanentMagnetization

Viscous RemanenMagnetization

Isothermal Magnetization

Anhisteretic Magnetization

Depositional RemanentMagnetization

Post Depositional RemanentMagnetization

Proses MagnetisasiAkronimRemanensi

SEKIAN SEKIAN SEKIAN SEKIAN

bab 4 sifat kemagnetan batuan

Documents