Felipe RincónEsteban Palacio

Contenido•Conceptos básicos de electromagnetismo•Formación del campo magnético• Inversión del campo magnético•Campo magnético actual y variaciones

temporales•Firma magnética de la corteza terrestre• Inversiones del campo magnético en el Tiempo

Geológico• Implicaciones geológicas

Imagen extraída de National Aeronautics and Space Administration

La magnetosfera: Capa formada por la interacción del magnetismo de la tierra y el viendo solar. Se extiende mas arriba de los 500 km de altura.

Imagen extraída de National Aeronautics and Space Administration

Magnetopausa: En la dirección del sol se encuentra maso menos a unos 100.000 Km. Lugar donde termina el campo.

Cúspides polares: dos zonas en forma de embudo, situadas en cada polo, en las cuales disminuye la intensidad del campo magnético, por lo que pueden penetrar partículas del viento solar.

Lamina neutra: campo magnético proveniente de los hemisferios norte y sur de la tierra se anulan entre ellos, haciendo esta zona magnéticamente neutra.

Cinturones de Van Allen: rayos cósmicos radiación cósmica Auroras Boreales

El Termino “Magnetismo” guarda relación con ciertas rocas halladas por los griegos hace más de 2000 años en la Región de Magnesia (se ubica en la región sureste de Tesalia en Grecia Central, y probablemente debe su nombre a las tribus magnetos). Estas “Piedras imán”, tenían la extraña propiedad de atraer fragmentos de hierro

Los Chinos (Siglo XII), fueron los primeros en emplear los imanes para la navegación.

William Gilbert (Siglo XVI), produjo imanes artificiales al frotar trozos de hierro con piedras imán y fue quien sugirió que las brújulas siempre señalan en la dirección N-S porque la tierra TIENE PROPIEDADES MAGNÉTICAS.

Resumen Histórico

En 1700 Edmund Halley descubrió que hay características del campo que muestran un desvío general hacia el W y atribuyó esto a capas interiores concéntricas que rotan un poco más lento que las capas de afuera, anticipando por más de 200 años una rotación diferencial dentro del núcleo.

Hans Christian Oersted (1820) descubrió qué una corriente eléctrica afecta a una brújula magnética. Vio que el magnetismo estaba relacionado con la electricidad

El Físico Ampere propuso que LAS CORREINTES ELECTRICAS SON LA FUENTE DE TODO MAGNETISMO. La explicación de este hecho la dio Albert Einstein en 1905.

Naturaleza del campo magnético

Imanes Comunes Aunque no están en movimiento, los electrones dentro de los átomos que los conforman si lo están, formando orbitas entorno a los núcleos y girando sobre sus propios ejes. El campo magnético generado por el spin del electrón es predominante

En materiales como Fe, Ni y Co, los campos no se cancelan entre si por completo. Cada átomo de Fe tiene 4 e- cuyo magnetismo de spin NO se cancela, entonces cada átomo de Fe es un mini-imán. Esto mismo sucede con el Ni y el Co.

Tomado de Ptable

Polos magnéticos: Se dice que la dirección del campo magnético exterior al imán va del polo norte al polo sur donde son dirigidas a través del imán y salen de nuevo por el polo norte. El polo el lugar del “imán” donde la fuerza de atracción es máxima.

Ley de Coulomb

Esta ley no se cumple cabalmente si las partículas están en movimiento. La fuerza entre las cargas eléctricas depende también, en una forma complicada de su movimiento.

Campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. Toda carga se encuentra rodeada de un campo eléctrico.

Constante de Coulomb

Ampere – Las corrientes eléctricas son la fuente de todo magnetismo.

Naturaleza del campo magnéticoCorrientes Eléctricas

Es la fuerza resultante al movimiento de cargas. Si una carga está en movimiento, la región del espacio que la rodea se modifica.

Campo poloidal magnético B

Campo Magnético

Teoría del Dinamo

Convección en el núcleo externo

ΔT = 4400 °C Flujo de calor

•Calor de Solidificación •Conducción del núcleo interno•Liberación de elementos pesados (Au..)

Corriente eléctrica y campos poloidales y toroidales

magnéticos

Parkinson, 1984. Para el Dipolo magnetico en una corriente uniforme a traves de una esfera de radio y conductividad

Disipación Magnética

Campo magnético de componente Dipolar

Regeneración y Difusión Magnética

Inversión del campo magnético

Modos del campo magnético

Coeficientes armónicos que representan los modos Dipolar y Multipolar del campo magnético.

Modos del campo magnético

El término del dipolo es el termino dominante de la expansión del armónico esférico y representa el tamaño del momento dipolar efectivo alrededor del eje de rotación de la tierra.

Podemos combinar 3 términos de grado 1 para crear un momento dipolar inclinados.

Columnas de convección

Efecto de la rotación

Rotación diferencial

El polo magnético es definido como el lugar donde el campo magnético es perpendicular la superficie de la tierra. Dichos polos no coinciden con los polos geográficos P.M del H.N esta ubicado a aproximadamente 1750 km del polo Geográfico en la Bahía de Hudson, Canadá, el otro polo se encuentra ubicado al sur de Australia.

Ubicación aproximada del Polo Sur magnético. Tomado de Google Earth

Campo magnético actual y variaciones temporales

Intensidad del campo magnético de la Tierra tomado a partir del Modelo Magnético Mundial (World Magnetic Model o WMM) para 2010.

Declinación e inclinación magnética

22222 ZYXZHF

H

ZiTaniFCosHiFSenZ )(),(),(

)(),( dHSenYdHCosX

i = 90° en los polos magnéticos (Z = F ≈ 70000 nT)

i = 0° en el ecuador magnético (H = F ≈ 30000 nT)

Tomado de Notas de clase Gaspar Monsalve

Inclinación del campo magnético de la Tierra a partir de datos del WMM para 2010.

Mapa de isoclinico

Mapa de líneas isogónicas

Inclinación del campo magnético de la Tierra a partir de datos del WMM para 2010.

Declinación Este (+) y Declinación Oeste (-)Tomado de departamento de geofísica UNAM

Modelo del dipolo geocéntrico inclinado

Aproximadamente el 90% del campo magnético terrestre se comporta como un DIPOLO, el restante 10% no tiene un comportamiento dipolar Campo NO DIPOLAR Modo multipolar, monopolar (Comportamiento caótico)

Campo geomagnético No Dipolar Tomado de Butler (1998)

Variaciones seculares geomagnéticas

• Cambios del campo magnético terrestre entre 1 y 105 años se denominan VARIACIONES SECULARES GEOMAGNETICAS.

• Representación de la variación secular mediante el Diagrama de Bauer (Declinación vs inclinación en el tiempo)

• Causas: Cambios en periodos cortos campo NO dipolar, cambios en periodos largos cambios en el campo dipolar

Gráfico de Bauer (Londres, UK)

Tomado de Campo magnético, Matt Miller

Registro de variación secular geomagnética del Holoceno en sedimentos del lago Fish al sureste de Oregon. Tomado de Butler (1998)

• Registros de variación secular no siempre son similares en zonas continentales debido al comportamiento del campo no dipolar?

• Otras cusas: Reorganización de líneas de fuerza del campo o cambios en la dinámica del núcleo.

• Deriva hacia el oeste del campo magnético:• Rotación diferencial entre el núcleo y el manto• Ondas permanentes en el núcleo que migran lentamente

hacia el oeste, pero sin un movimiento diferencial del material.

• Cambios de dirección observados NO SON CÍCLICOS.

Variación secular del polo “Norte” magnético en 2000 años

Merrill y McElhinny (1983).

Tomado de Montero (2003)

Variaciones del campo geomagnético

Magnetización en rocas

• La mayor parte de los materiales son paramagnéticos.

• Solo 5 elementos y varios de sus compuestos son ferromagnéticos: FE, Co, Ni, Gd y Dy

• Los mas comunes son los óxidos de Fe Magnetita y Hemetita

• Dominios magnéticos: regiones donde los dipolos debido a los espines se encuentran alineados en la misma dirección.

Temperatura de Curie

• http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/113/htm/sec_8.htm

Tomado de grabaciones magnéticas, biblioteca digital

Minerales Ferromagnéticos

Muy altas susceptibilidades. Sin embargo no ocurren naturalmente en la tierra (están en meteoritos). Tomado de Notas de Clase Garpar Monsalve

Minerales anti ferromagnéticos

El momento magnético neto es cero (hematita). Susceptibilidades bajas, sin incidencia en la exploración. Tomado de Notas de clase Gaspar Monsalve

Minerales ferrimagneticos

Hay una dirección preferencial en la orientación de los dominios. Son los de mayor importancia en la exploración (magnetita, titanomagnetita, ilmenita, pirrotita). Tomado de Notas de Clase Gaspar monsalve

Magnetización en rocas

Se lleva a cabo de dos maneras principales:

1. Magnetización termoremanente (MTR): Adquirida por las rocas ígneas al pasar el punto de Curie.

2. Magnetización Remanente Deposicional (MRD): Rocas sedimentarias compuestas de minerales derivados de rocas ricas en minerales magnéticos.

Tomado de UNAM

Minerales ferrimagneticos

Magnetización remanente deposicional (MRD)

Tomado de UNAM

Magnetización remanente viscosa (VRM): Materiales adquieren la magnetización de manera gradual, durante un largo periodo de tiempo, cuando están expuestos a campos magnéticos externos.

Firma magnética de la Corteza terrestre

Las anomalías magnéticas en la corteza oceánica producen un patrón general regular, formando por alternancia de bandas positivas y negativas, con ancho de decenas de kilómetros.

En la corteza continental, las anomalías son mucho más caóticas, pueden estar en cuerpos individuales o se pueden organizar por tendencias de gran escala y no están directamente relacionados a su geometría.

Anomalías magnéticas sobre la dorsar Reykjanes, al sur de Islandia

a) Mapa de esqueleto magnético; símbolos: áreas negras / blancas = anomalía positiva / negativa; A = anomalía central sobre la dorsal

b) Perfiles de anomalías

Modelo de Vine-Matthews-Morley: Expansión y magnetización del fondo marino

Modelo de Vine-Matthews-Morley: Expansión y magnetización del fondo marino

El modelo debe ser valido a escala planetaria, ya que las inversiones son un fenómeno planetario.

• Las secuencias de máximos y mínimos en los lados de la dorsal deben ser correlacionable, el ancho difiere ya que las velocidades de expansión no son las mismas.

• La polaridad de las rocas basálticas deben ser consistentes con la polaridad de las rocas sedimentarias y plutónicas de la misma edad

Variación en el tiempo

Anomalías de bloques de corteza magnetizados

a. Normal b. Inverso c. superposición de anomalías

Correlación de perfiles de anomalías magnéticas a través de las dorsales del Atlántico Sur, del Norte y del Pacífico Sur. La posición del eje de la dorsal está dada por el origen de la escala de tiempo (0 Ma). Heirtzler et al. 1968

Variaciones en el tiempo

Algunas hipótesis

Hirtzler, 1970 – Un terremoto suficientemente grande puede causar la inestabilidad del campo de la tierra causando inversión.

Kennett y Watkins,1970 – Evidencias de actividad volcánica como las secuencias sedimentarias en el fondo oceánico con cenizas, deben correlacionarse a las inversiones de los campos.

Irving – La inversión del campo magnético es frecuente debido a la convección y a la tectónica, por ejemplo en el cenozoico.

•Un campo magnético es generado por el movimiento de partículas cargadas que alteran el espacio en el que se mueve.

•El campo magnético terrestre no se comporta totalmente como un Dipolo, sino que tiene componentes multipolares y monopolares.

Conclusiones

•La teoría más aceptada para el origen del campo magnético terrestre es la “Teoria del Dynamo”

•Las inversiones del campo magnético son debido a la disminución y consecuente aumento de sus modos.

Conclusiones

•El magnetismo del piso oceánico confirma la teoría de la tectónica de placas, ya que este refleja la expansión del mismo en distintos periodos de tiempo.

•Muchas de las hipótesis que relacionan la tectónica de placas con las inversiones aun no se han podido comprobar, debido a que las inversiones no necesariamente corresponden a periodos de mucha o poca actividad tectónica.

Conclusiones

Profesor Pablo Cuartas, PhD en Física – U de A

Profesor Gaspar Monsalve, PhD en Geofísica - UNAL

Agradecimientos

• Burguer, H. R., Sheehan, A. F., & Jones, C. H. (2006). Introduction to Applied Geophysics. New York: Norton.

• Butler F., R. (1998). Paleomagnetism: Magnetic Domains ti Geologic Terranes. Tucson: University of Arizona.

• ILCE, B. D. (8 de Septiembre de 2015). La Ciencia para todos. Obtenido de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/html/ciencias.html

• Jacobs, J. (1994). Reversals of the Earth´s Magnetic Field. New York: Cambridge .

• Lanza, R., & Meloni, A. (2006). The Eart´s Magnetism. Springer.• Lowrie, W. (2007). Fundamentals of Geophysics. New York: Cambridge.• Stacey, F. D., & Davis, P. M. (2008). Physics of the Earth. Cambridge.

Referencias