Magnetická anizotropie hornin

Transkript

1 Magnetická anizotropie hornin (stručný přehled a využití v geologii) Přednáška 3

2 Magnetická anizotropie hornin Osnova 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita 2. Anizotropie magnetické susceptibility 3. Anizotropie minerálů 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin 5. Magnetická stavba sedimentárních hornin 6. Magnetická stavba vyvřelých hornin 7. Magnetická stavba metamorfitů 8. Odběr vzorků, měření a zpracování dat 9. Separace paramagnetické a feromagnetické anizotropie 10. Vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 11. Příklady studií s využitím magnetické anizotropie

3 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie magnetit biotit

4 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie

5 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility Magnetická anizotropie při nízké teplotě Magnetická anizotropie ve vysokých polích Anizotropie magnetické remanence

6 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility paramagnetických látek Biotit Magnetická anizotropie při nízké teplotě Hyperbola podle Curie-Weissova zákona: k = C / T C proporční konstanta T absolutní teplota

7 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility ferromagnetických látek Magnetit Curieova teplota T c = 575 C

8 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility ferromagnetických látek Hematit Hopkinsonův peak Morinův přechod Curieova teplota T c = 680 C

9 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility ferromagnetických látek Pyrhotin (monokl.) T c = 325 C

10 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Hornina s amfibolitem a magnetitem hyperbola T c magnetitu

11 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Měření závislosti magnetické susceptibility na teplotě Střídavý můstek s teplotně kontrolní jednotkou MFK-1 + CS-3 AGICO - Advanced Geoscience Instruments Company

12 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Princip separace paramagnetického a ferromagnetického příspěvku k celkové susceptibilitě horniny Paramagnetický BIOTIT Ferromagnetický MAGNETIT Hyperbola k = C / T Lineární závislost k = c nebo k = at + c p podíl v hornině [obj. %] k tot = p para (C / T )+ p ferro k ferro celková susceptibilita horniny paramagnetická složka ferromagnetická složka

13 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Zpracování naměřených křivek - program Cureval výsledky separace

14 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Diamagnetismus Paramagnetismus Feromagnetismus M M M k < 0 k > 0 k >> 0 paramagnetika ferromagnetika

15 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Torzní magnetometr

16 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Magnetická anizotropie ve vysokých polích Separuje stavbu nesenou paramagnetickými minerály

17 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Anizotropie magnetické remanence Pouze stavba nesená ferromagnetickými minerály Rotační magnetometr JR-6A Demagnetizátor a magnetizátor střídavým polem LDA-3A a AMU-1A

18 The problem Multi-domain grains Normal fabric Single-domain grains k int Dike margin MD grain Dike margin SD grain Flow direction k max k max k min Flow direction k max k min Multi-domain grains k int projection of dike plane Inverse fabric pole to dike plane k min Single-domain grains k int Dike margin MD grain k int Dike margin SD grain Flow direction k max k min k int k min k max Flow direction k max k min k int

19 Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) Bostonite N Camptonite N Trachybasalt N N=39 N=28 N= K1 K2 K3 180 K1 K2 K3 180 Normal fabric Inverse fabric Anomalous fabric K1 K2 K3 180

20 Anisotropy of anhysteretic remenence (AMR) Bostonite N Camptonite N Trachybasalt N N=10 N=10 N= K1 K2 K3 180 K1 K2 K3 180 Normal fabric Normal fabric Anomalous fabric K1 K2 K3 180

21 8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Shrnutí Paramagnetická stavba Ferromagnetická stavba Anizotropie magnetické susceptibility (AMS) Magnetická anizotropie při nízké teplotě (LT-AMS) Anizotropie magnetické remanence (AMR) Magnetická anizotropie ve vysokých polích (HFA)

22 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací AMS STRAIN Geographic coordinate system N Equal-area projection N= K1 K2 K3 180 D

23 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací hlavní susceptibility k 1 k 2 k 3 střední susceptibilita k m = (k 1 + k 2 + k 3 )/3 stupeň anizotropie P = k 1 / k 3 magnetická lineace L = k 1 / k 2 magnetická foliace F = k 2 / k 3 tvarový parameter T = (2n 2 - n 1 - n 3 )/(n 1 - n 3 ) kde n 1 = ln k 1, n 2 = ln k 2, n 3 = ln k 3 korigovaný stupeň anizotropie elongace (relatívní prodloužení) prodloužení (stretch) Pj = P a e = (l - l o )/l o e = 100 (l - l o )/l o [%] S= l/l o = 1 + e kvadratická elongace λ = S 2 = (1 + e) 2 střih dilatace incrementální deformace přirozená (logaritmická) deformace γ = tan ψ = (V - V o )/V o ε = dl / l ε = dl / l = ln e

24 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací AMS Strain

25 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 1. Matematické modelování 2. Empirické vztahy 3. Experimentální deformace

26 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 1. Matematické modelování R/φ Bilby March Jeffery

27 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Pasivní (duktulní) vs. line-plane model

28 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací PASIVNÍ A DUKTIVNÍ MODEL Pasivní model Změny stupně anizotropie pro různé viskózní kontrasty

29 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací LINE/PLANE MODEL

30 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací VISKÓZNÍ MODEL oblátní zrna, a=b>c MAGNETIT HEMATIT PYRHOTIN BIOTIT/CHLORIT

31 Redukční skvrny Redukční skvrny Experimentální deformace Experimentální deformace 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 2. Empirické vztahy Empirické vztahy mezi Pj a stupněm deformace

32 Konkrece Xenolity Oolity Redukční skvrny 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Empirické vztahy mezi Pj a stupněm deformace

33 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Empirické vztahy mezi Pj a stupněm deformace Slídy Slídy Lapili Lapili

34 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 3. Experimentální deformace plastelína+minerální zrna Zploštění MD magnetit SD maghemit Transprese Borradaile, 1997

35 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací

36 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací SUSIE SUsceptibility-Strain Inverse Estimation (Ježek & Hrouda, 2007, Computers & Geosciences) Aplikace v prostředí MatLab Používá modely Line/Plane nebo Viskózní Počítá v krocích teoretickou AMS a porovnává s naměřenými hodnotami Funguje dobře při nerotační deformaci a malé rotační deformaci Maximálně dvě populace magnetických zrn Vstup kvantitativní parametry naměřené anizotropie stupeň a tvar elipsoidu anizotropie jednotlivých zrn použitý model reorientace magnetických zrn SUSIE Výstup log X/Y log Y/Z

37 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací (Ježek & Hrouda, 2007)

38 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací AMS nám nepodá žádnou informaci o kinematice deformace

39 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Shrnutí Dobrá korelace mezi matematickým modelováním, empirickými vztahy a experimentální deformací při studiu kvantitativního vztahu mezi AMS a mírou deformace, hlavně pro horniny s magnetitem nebo fylosilikáty. Vztah ln P = a (ε 1 - ε 3 ) lze považovat za univerzálně použitelný, alespoň pro obvyklé, v přírodě se vyskytující stupně deformace. Teoretické modely (line/plane nebo viskózní) lze použít pro výpočet obrácené úlohy, tj. výpočet velikosti deformace z měřených kvantitativních parametrů AMS (program SUSIE).

40 Wilson, J. T A possible origin of the Hawaiian Islands. Canadian Journal of Physics, 41,

41

42 O'ahu

43 Magnetic anisotropy investigations in O ahu Geology of O ahu

44 Magnetic anisotropy investigations in O ahu Review of AMS investigations Knight & Walker 1988 (1987) Knight 1988 Canon-Tapia et al Herrero-Bervera et al Herrero-Bervera & Henry 200? Krása & Herrero-Bervera 2005

45 Magnetic anisotropy investigations in O ahu Ko olau Makapu u Point lava tube

46 Magnetic anisotropy investigations in O ahu Ko olau Knight & Walker 1988 (1987) Knight 1988 NW Keneohe Bay 1 2 Kawainui Swamp 3 Waimanalo Bay SE

47 Red Hill section (in Brno) loess paleosol loess paleosol silty paleosol loess

48 Anisotropy of magnetic susceptibility (Red Hill) N K1 K2 K3 180 N=85

49 Grain size dependent parameters (Red Hill) 0 0 k 200F1 [10-6 SI] k FD [%] P Ratios [%] χ 12 χ χ 13 IRM TD IRM VD Depth [cm] Clay Silt

50 Flysch-like Proterozoic sediments (Hajná et al., in press, Precam. Res.)