FISI S KA K BA B TUA U N

(1)

FISIKA BATUAN

(2)

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 magnet

2. M Magnetisasi 3. B Induksi Magnet

(3)

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.

(4)

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.

(5)

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.

(6)

DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN DEFINISI DAN SATUAN

(7)

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK

A

sal dari magnetisme adalah perputaran (spin) dan pengorbitan dari elektron dan bagaimana elektron-elektron tersebut berinteraksi dengan elektron lainnya

T

iap bahan memberikan respon yang berbeda terhadap medan magnet yang melewatinya

P

ada umumnya semua bahan bersifat magnetik, hanya saja beberapa bahan lebih magnetik dibandingkan bahan lainnya

P

erbedaan antar bahan adalah terletak pada interaksi antara momen magnetik atom-atomnya. Beberapa bahan memiliki interaksi yang sangat kuat sebagian lagi sangat lemah

(8)

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK

BAHAN MAGNETIK

K

(9)

(10)

D

IAMAGNETIK

Diamagnetik: yaitu bahan yang kulit elektronnya lengkap dan terisi oleh elektron yang berpasangan

Tidak memiliki momen magnetik suseptibilitas < -10-5 _SI

Susep 10-8_m3_kg-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

(11)

BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK BAHAN MAGNETIK

BAHAN MAGNETIK

P

_ARAMAGNETIK

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

Susep 10-8_m3_kg-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

(12)

F

ERROMAGNETIK

Memiliki momen magnetik Ada interaksi antar atom

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.

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.

(13)

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 .

(14)

• Magnetisasi saturasi

Magnetisasi saturasi (M_sat)adalah magnetisasi maksimum dari momen magnetik yang dapat dicapai pada medan magnetic saturasinya (H_sat), setelah medan ini tidak 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 (M_i) dan remannent magnetisasi (M_r). Rasio dari remanent magnetisasi terhadap induksi magnetisasi dinamakan “Koenigsberger Q-ratio”

(15)

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

(16)

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.

(17)

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

(18)

P

arameter 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.

P

arameter histerisis bergantung dari ukuran butir, maka kurva

tersebut menjadi penting dalam mengukur ukuran butir dari sample alam.

(19)

D

OMAIN MAGNETIK

Bahan ferro-, antiferro- dan

ferrimagnetik memiliki magnetisasi spontan Sifat kemagnetan ini dapat ditunjukkan dengan adanya elemen volume magnetic yang disebut

(20)

A

NISOTROPI MAGNETIK

Anisotropi magnetik adalah kebergantungan sifat magnetic oleh arah dari magnetisasi Anisotropi digolongkan menjadi beberapa tipe yaitu:

Tipe Dipengaruhi oleh

Magnetokristalin struktur

Bentuk bentuk butir

Tekanan (Stress) 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

magne-tisasi pada arah yang berbeda pada sebuah kristal magnet

(21)

• Anisotrophy karena Tekanan

Y

aitu perubahan magnetisasi yang timbul akibat berubahnya tekanan

S

useptibilitas akan berkurang dengan bertambahnya tekanan pada arah yang sama dengan medan magnet yang diberikan

S

ebaliknya 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

(22)

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

(23)

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN SIFAT KEMAGNETAN BATUAN SIFAT KEMAGNETAN BATUAN SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

S

ifat 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. 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+_{, Fe}3+_{, dan Mn}2+_{. Dari hubungan antara kandungan ion Fe}

(dalam % berat ion terhadap berat mineral) dan nilai suseptibilitasnya, didapatkan persamaan empiris yang masih perlu di kaji kembali.

(24)

(25)

(26)

K

arena suseptibilitas paramagnetik dikontrol oleh kandungan Fe maka secara empiris korelasi antara suseptibilitas dan kandungan Fe (C_Fe) adalah:

κ _{= 3.48 C}

Fe κ dalam m3 kg-1

1 biotit

2 amphibolite

(27)

Mineral Composition Magnetic Order T_c(°C) σσσσ_s(Am2_/kg)

Oxides

Magnetite Fe3O4 ferrimagnetic 575-585 90-92

Ulvospinel Fe2TiO2 AFM -153

Hematite αFe2O3 canted AFM 675 0.4

Ilmenite FeTiO2 AFM -233

Maghemite γFe2O3 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 αFeOOH AFM, weak FM ~120 <1 Lepidocrocite γFeOOH AFM(?) -196

Feroxyhyte δFeOOH ferrimagnetic ~180 <10

Metals & Alloys

Iron Fe FM 770 Nickel Ni FM 358 55 Cobalt Co FM 1131 161 Awaruite Ni3Fe FM 620 120 Wairauite CoFe FM 986 235 Jenis magnetic dan suhu curie untuk beberapa mineral

(28)

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),

γ-Fe₂O₃ (maghemite), Fe₂TiO₅ (pseudobrookite),

α-Fe₂O₃ (hematite), FeTi₂O₅ (ilmeno-rutile, ferropsudobrookite). 2. Four series (solid solution series) :

Titanomagnetite, pseudobrookite, ilmeno-hematite, titanomaghmite.

(29)

Titanomagnetite series : struktur kubik

Series ini memiliki system : Fe_3-xTi_xO₄ 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 : Fe_2-xTi_xO₃ 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

(30)

Struktur spinel , magnetit (Fe3O4) yang mengkristal

Struktur hexagonal , hematite yang mengkristal

(31)

Kemagnetan fluida

Umumnya fluida bersifat diamagnetic dan memiliki pengaruh yang sangat kecil terhadap kemagnetan batuan. Untuk cairan, Kabronova (1989)

meberikan nilai suseptibiliasnya :

K_air = -0.9 . 10-5 _dan _K

minyak= -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_,

(32)

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.

(33)

S

ifat 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

(34)

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

(35)

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 :

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.

1 granit

2 diorite dan gabro

(36)

(37)

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 %}

(38)

(39)

(40)

U

ntuk batuan metamorf ditunjukkan perbedaan karakter batuan berdasarkan perbedaan genesanya (para- dan orto-metamorf)

Am = amphibolit ch-bc = cloritik-biotitik b-am = biotitic-ampibiolitik Fe-Q = Fe-Quarsit

(41)

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

(42)

P

engaruh Ukuran Butir dan Bentuk Butir

dengan Suseptibilitas

κ = 0.101 ln d + 0.502

κ = 0.277 ln d - 0.423 d dalam µm

(43)

int int

1 κ

κ

⋅

+

⋅

=

N

V

_m a/b

Ellipsoid = perbandingan 2 diameter sumbu Silinder = perbandingan tinggi dengan diameter Prisma = perbandingan tinggi dgn lebar

Vm = volume dari bahan magnetic

κint = suseptibilitas mineral intrinsik

N = factor demagnetisasi dari bentuk butir

U

ntuk batuan dengan ukuraan butir yang lebih besar, suseptibilitas

(44)

P

engaruh 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

3

3 2 1

κ

=

+

(45)

TIPE REMANENSI

(46)

TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI

(Natural Remanent Magnetization – NRM) yaitu

jumlahan vector magnetisasi dari semua komponen yang berbeda yang didapatkan dari domain domainnya

M

agnetisasi primer

M

agnetisasi sekunder waktu, suhu, atau

(47)

TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI TIPE REMANENSI

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

Magnetisasi yang diperoleh selama perubahan sifat kimiawi dalam sebuah medan magnet luar Magnetisasi yang diperoleh selama waktu

tertentu dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh seketika dalam suatu medan magnet luar

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

Magnetisasi yang diperoleh sediment ketika butiran butirannya tersusun dalam sebuah medan magnet luar

Magnetisasi yang diperoleh setelah deposisi dan terjadi karena efek mekanika pada sediment yang basah TRM CRM VRM IRM ARM DRM pDRM Thermoremanent Magnetization Chemical Remanent Magnetization Viscous Remanen Magnetization Isothermal Magnetization Anhisteretic Magnetization Depositional Remanent Magnetization

Post Depositional Remanent Magnetization

Proses Magnetisasi Akronim

(48)

FISI S KA K BA B TUA U N

FISIKA BATUAN

FISIKA BATUAN

FISIKA BATUAN

FISIKA BATUAN

Momen magnetik dan suseptibilitas

Bahan magnetik

Klasifikasi medium

Klasifikasi medium

A

T

P

P

K

D

P

F

Kurva Histerisis

Kurva Histerisis

Kurva Histerisis

P

P

D

A

Y

S

S

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

SIFAT KEMAGNETAN BATUAN

S

K

iron-titanium oxides

iron-titanium oxides

Kemagnetan fluida

Kemagnetan fluida

Kemagnetan batuan

Kemagnetan batuan

S

U

P

1

κ

κ

κ

⋅

+

⋅

=

N

V

U

P

3

κ

κ

κ

κ

=

+

+

TIPE REMANENSI

TIPE REMANENSI

TIPE REMANENSI

M

M

SEKIAN

SEKIAN

SEKIAN