Capitulo
5.2
Contenido página
Brújula de inclinación
Superbrujula de Hotchkiss
Variómetro del tipo Schmidt
Variómetro de compensación
Flux-gate magnetometer
Magnetómetro protónico de precesión
Magnetómetro protónico Overhauser
Magnetómetro con célula de absorción
5. 2 Método magnético: Equipos - magnetometros
Magnetómetros y métodos para determinar los componentes del campo
geomagnético como la intensidad total F, la intensidad horizontal H y la
intensidad vertical Z (o V) o sus variaciones
Los métodos y instrumentos, que se basan en principios mecánicos son los
siguientes:
- Método de Gauss para determinar la intensidad horizontal
Se determina el valor absoluto de la intensidad horizontal H a través de
dos experimentos:
El experimento de oscilación define el producto M x H, en donde M = momento
magnético de un imán y ● H = intensidad horizontal.
● El experimento de desviación define el cociente M/H.
Brújula de inclinación
Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z (o V respectivamente).
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. Un par
de torsión gravitatorio (peso ajustable) es equilibrado por un par de torsión
magnético (imán). Cualquier variación del 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.
Superbrujula de Hotchkiss
Esta brújula mide la variación de la intensidad total F de un campo magnético.
Su construcción es semejante a la de la brújula de inclinación, además tiene
una barra auxiliar no magnética, que lleva un contrapeso regulable. Para
medir la variación de F se orienta los polos del imán paralelamente a la
dirección del campo total, la medición se realiza orientando la superbrújula
en una dirección perpendicular al meridiano (longitud) magnético.
Variómetro del tipo Schmidt
Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z (o V respectivamente)
y un variómetro modificado mide la variación de la intensiad horizontal
H de un campo magnético. El variómetro consiste en un imán pivotado cerca,
pero no directamente en el centro de su masa, de tal modo que el campo geomagnético
origine un par de torsión magnético en torno del pivote opuesto al par de
torsión de la atracción gravitatoria sobre el centro. El ángulo para el
cual se alcanza el equilibrio depende de la intensidad del campo. El imán
pivotado tiene que ser orientado horizontalmente y en la dirección este-oeste
geomagnético para medir la variación de Z.
La construcción del variómetro para la medición de la variación de la intensidad
horizontal H es parecida salvo que el sistema magnético (imán pivotado)
tiene por posición inicial la vertical y la dirección norte-sur geomagnético.
Variómetro de compensación
Este instrumento mide la variación de la intensidad vertical Z y un variómetro
modificado mide la variación de la intensidad horizontal H. La construcción
del variómetro de compensación es semejante a aquella del variómetro del
tipo Schmidt, pero en vez de medir la inclinación del sistema con respecto
a la horizontal (variómetro vertical) se mide la fuerza necesaria para devolverlo
a la horizontal. El imán pende de finos hilos y la fuerza restauradora se
obtiene mediante el desplazamiento de imanes compensadores. En el caso del
magnetómetro de torsión por ejemplo de 'Askania' según Haalck la aguja magnética
tiene que ser orientada horizontalmente.
Un instrumento, que se basa en principios
eléctricos (saturación), se presenta en lo siguiente.
'Flux-gate magnetometer'
Este magnetómetro mide la variación de la intensidad vertical V de un campo
magnético y se lo orienta horizontalmente. Su principio se basa en el fenómeno
de que campos magnéticos tan pequeños como el terrestre inducen en materiales
de gran permeabilidad µ densidades de flujo, que representan una fracción
apreciable de la densidad de saturación. La forma de onda de corriente resulta
distorsionada si se superpone un campo magnético estacionario y esta distorsión
se utiliza para medir dicho campo.
Se produce el campo magnético estacionario cíclico por medio de una bobina,
que rodea un imán y que está alimentada por una corriente alterna suficientemente
intensa. Superponiendo el campo magnético cíclico inducido al campo terrestre
el campo magnético resultante saturará el imán o es decir el núcleo. El
lugar en el ciclo energizante en que se llegue a la saturación da una medida
del campo magnético ambiental.
En detalle este tipo de magnetómetro se constituye de dos imanes o núcleos
respectivamente, cuyos ejes están alineados paralelamente a la dirección
del campo terrestre . En un campo externo variándose cíclicamente el comportamiento
de los imanes resulta en típicas curvas de histéresis (en un diagrama B
en función de H). Cada uno de estos núcleos se ubica en el centro de una
bobina con un arrollamiento en sentido opuesto en comparación a aquel de
la otra bobina. Las dos bobinas primarias están conectadas en serie y generan
en los dos núcleos densidades de flujo magnético de la misma intensidad,
pero de signos opuestos, es decir que los momentos magnéticos de los dos
núcleos se orientan en direcciones opuestas por el arrollamiento en sentido
opuesto de las dos bobinas. Cada bobina posee un arrollamiento secundario,
cuyas dos secciones están conectadas con un voltímetro para indicar la diferencia
entre las dos salidas.
● En un instante discreto el campo terrestre refuerza el campo engendrado
por una de las bobinas y se opone al campo producido por la otra bobina.
Primero se considera la magnetización de un solo núcleo en ausencia de un
campo ambiental natural, como sucede cuando el eje del núcleo está normal
a la dirección del campo terrestre.
● El campo de la excitación H, correspondiente al campo magnético inducido
tiene una forma sinusoidal (curva a de fig. 13-17 en construcción).
● Este campo sobresatura el núcleo en el alto y en el fondo de cada ciclo,
como se expresa por los altos y bajos truncados de la curva b.
● El voltaje secundario es proporcional a la variación de la densidad del
flujo magnético y en consecuencia se acerca a cero durante la parte del
ciclo, en que el núcleo está saturado, como se ve en la curva c.
● Introduciendo un campo natural que ayude a (superpone) la magnetización
de la corriente de excitación, se llega antes al punto de saturación en
el ciclo (indicado por el descenso en el voltaje secundario), que sí están
en oposición el campo natural y el de la excitación. Esto está representado
por las curvas d y e.
● Si las salidas de voltaje de ambas bobinas están conectadas en oposición,
la salida resultante (curva f) consiste en pares de crestas, cuya altura
es dentro de límites razonables proporcional al campo magnético.
Algunos magnetómetros del tipo 'flux-gate' alcanzan una precisión entre
0,5 a 1,0gamma.
El 'fluxgate magnetometer' fue el primero magnetómetro, que se utilizaron
para mediciones magnéticas desde el aire (fixed wing aircraft), en la guerra
en particular para hallar submarinos. Hoy día en primer lugar se los emplean
para las mediciones magnéticas en pozos/sondeos.
Otros instrumentos de saturación son el magnetómetro aéro 'Gulf' y el detector
magnético aéreo AN/ASQ-3A descritos en DOBRIN (1975).
La intensidad magnética total es la magnitud del vector del campo geomagnético
independiente de su dirección o es decir el campo total es una cantidad
escalar. En el caso de una perturbación del vector regional del campo geomagnético
F el vector perturbador P se suma al campo no estorbado por adición vectorial.
Los magnetómetros, que miden el campo magnético total, miden solo la magnitud
del vector resultante o es decir la porción del vector perturbador, que
está dirigida en la misma dirección como el campo magnético regional. En
consecuencia para campos magnéticos perturbadores pequeños con respecto
al campo geomagnético la variación del campo magnético medida comFP es de
valor muy similar al valor de la componente del vector perturbador dirigido
en la misma dirección como el campo magnético regional. Para campos anómalos
pequeños con respecto al campo geomagnético vale F + P = +/- (F + comFP).
Magnetómetros nucleares
Magnetómetro protónico de precesión
Este magnetómetro mide la intensidad total absoluta del campo magnético
a tiempos discretos. El instrumento se basa en la mecánica cuántica, específicamente
en el fenómeno de la resonancia magnética nuclear. Aproximadamente los dos
tercios de todos los núcleos atómicos (protones) tienen un momento magnético.
Estos núcleos pueden ser considerados como diminutos imanes en forma de
esferas, que giran alrededor de sus ejes magnéticos. Se aplica repentinamente
un campo magnético intenso en una dirección en ángulo recto con la del campo
terrestre a una botella de agua o de una otra sustancia, que contiene una
gran cantidad de protones H+ y que está polarizada solamente por el campo
terrestre. Los protones se orientan hasta que apunten en la dirección correspondiente
a la resultante de los dos campos. Si el campo exterior es 100 o más veces
mayor que el campo terrestre en la estación de observación, el campo resultante
en el interior del agua apuntará aproximadamente en la misma dirección que
el campo aplicado. Al desaparecer el campo magnético exterior, el momento
magnético recobrará su valor y dirección primitivos en el campo terrestre
H por 'precesión' en torno de ese campo a una velocidad angular w = gp x
F, en donde gp es la razón giromagnética del protón y una constante de proporcionalidad
(23,4873826 g/Hz) y F es el campo terrestre. La frecuencia de la 'precesión'
es directamente proporcional al valor del componente total del campo magnético.
Se obtiene la intensidad total del campo terrestre midiendo la frecuencia
de este voltaje inducido con la precesión necesaria y modificándola. Debido
al proceso de la inducción electromagnética la amplitud de la señal es proporcional
a F. Por esto la sensibilidad del magnetómetro es alta en un campo magnético
intenso, mientras que en un campo magnético débil la sensibilidad se disminuye.
En un campo terrestre de 50000gamma la frecuencia de precesión medida con
contadores digitales tiene valores alrededor de 2000Hz y el magnetómetro
logra una precisión de 0,1gammas. Una medición se puede realizar en un cuarto
de un segundo, pero con una sensibilidad reducida. Las limitaciones de los
magnetómetros nucleares son gradientes muy grandes (mayor a 300 a 1000gammas
cada metro) debido al tamaño relativamente grande de la botella con el liquido
de protones y interferencias debidas a corrientes eléctricas alteradas.
En el primero caso de un campo magnético de gradiente muy alto la intensidad
del campo variaría adentro de la unidad de medición como la botella con
el liquido de protones y por consiguiente el magnetómetro no podría determinar
un valor constante.
Magnetómetro protónico del tipo Overhauser
Un otro tipo de magnetómetro nuclear, denominado magnetómetro protónico
basándose en el efecto Overhauser fue desarrollado al principio de la década
sesenta. En lo que sigue se explica el efecto Overhauser en forma sencilla
en términos mecánicos como lo fue hecho en el caso del magnetómetro protónico
de precesión. Una explicación más detallada requiere conocimientos de la
mecánica cuántica. Los magnetómetros de este tipo usan una solución rica
en protones y iones paramagnéticos. Bajo la influencia de la llamativa frecuencia
propia del electrón no perturbado, que está en el rango de las frecuencias
muy altas (VHF) de radio, los iones paramagnéticos muestran una resonancia.
Al aplicar una señal de muy alta frecuencia (VHF) a la solución de protones
e iones paramagnéticos (dominada por la frecuencia propia del electrón no
perturbado) el espín nuclear ubicándose en el protón está polarizado en
consecuencia de la interacción entre los electrones y los núcleos atómicos.
La polarización es continua y la señal cambia instantáneamente con el campo
magnético ambiental. Con este método se logra un aumento de la intensidad
de la señal en el rango de 100 a 1000 veces resultando en señales de precesión
con magnitudes entre 1 y 10mV (las señales de precesión producidas por el
magnetómetro protónico de precesión varían alrededor de 1mV). Por esto la
razón 'señal a ruido' se reduce apreciadamente y en consecuencia se reduce
la incertidumbre de la medición. El magnetómetro protónico del tipo Overhauser
requiere un intervalo de tiempo de medición de 8 a 10 s como mínimo, midiendo
un intervalo de tiempo mayor se puede aumentar la sensibilidad de medición.
En la tabla siguiente se compara las características de los dos magnetómetros
nucleares:
Magnetómetro con célula de absorción
Este instrumento se funda en la separación de líneas espectrales (absorción
óptica) por la influencia de un campo magnético. Este fenómeno fue descubierto
en 1896 por el holandés P. ZEEMAN (efecto Zeeman) y empleado en los magnetómetros
desde el principio de la década setenta de este siglo. Un magnetómetro de
este tipo se compone de una célula con una sustancia gaseiforme como He
o vapor de álcalis como Rb, Cs o K y excitada por un rajo de luz emitida
por una fuente de la misma sustancia gaseiforme. La luz incidente se ajusta
por medio de un polarizador circular antes de entrar en la célula de absorción
del vapor. Los álcalis metálicos gaseiformes de poca cantidad en la célula
son excitados por la luz polarizada. En los átomos resulta una elevación
de su estado energético fundamental a varios niveles ópticos. En presencia
de un campo magnético externo como el campo geomagnético los niveles fundamentales
y elevados se separan en niveles magnéticos estrechamente espaciados. A
este se llaman efecto de ZEEMAN según su descubridor.
La absorción óptica se basa en el fenómeno que las probabilidades de transición
de electrones desde un subnivel magnético fundamental no son iguales para
cada nivel de la luz circularmente polarizada y bombeada, mientras que la
transición o descomposición respectivamente desde los niveles excitados
hacia el nivel fundamental es a menudo completamente el resultado de una
emisión espontánea, o es decir la transición es igual para todos los subniveles.
Los electrones siempre llegan a los subniveles fundamentales en cantidades
iguales, pero debido a la absorción óptica los electrones se van en cantidades
distintas a otros niveles energéticos. En consecuencia se obtiene diferentes
grados de ocupación para los distintos subniveles fundamentales. En esta
fase de absorción óptica el gas en la célula es más transparente para la
luz incidente en comparación al gas no afectado por bombeo óptico. La modulación
de la transparencia se toma como medida para el campo magnético ambiental.
El magnetómetro de absorción óptica mide la intensidad total del campo magnético
continuamente, con sensibilidad alta y una exactitud hasta 0.01gamma. El
magnetómetro más común de este tipo emplea Cesio como sustancia gaseiforme.
Apuntes
- Geología
Contenidos Exploración Minera
1. Introducción
2. Remote Sensing
3. Geoquímica en prospección
4. Métodos sísmicos
5. Método magnético
5.1 Fundamentos
teóricos
●
5.2 Magnetómetros
5.3
Los datos
6. Método gravimétrico
7. Métodos eléctricos
Índice
Bibliografía
Páginas de Geología
Apuntes Geología General
Apuntes Geología Estructural
Apuntes
Depósitos Minerales
Colección de Minerales
Periodos y épocas
Figuras históricas
Citas geológicas
Exploración - Prospección
Módulo de Citas
Depósitos
Depósitos en el Mundo
Depósitos en Chile
Depósitos en Atacama
Bibliografía Depósitos Minerales
