Magnetická anizotropie hornin. (stručný přehled a využití v geologii)

Transkript

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

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

3 Magnetická anizotropie hornin Literatura Tarling, D.H. & Hrouda, F The Magnetic Anisotropy of Rock, Chapman & Hall, 217 s. Lanza, R. & Meloni, A The Earth s Magnetism: An Introduction for Geologist. Springer, 278 s. (Kapitola 5) Kontakt Martin Chadima (chadima@sci.muni.cz) AGICO, Brno Advanced Geoscience Instruments Company Přednášky

4 Magnetická anizotropie hornin Definice a využití Magnetická anizotropie je směrová závislost určité magnetické vlastnosti. AMS anizotropie magnetické susceptibility AMR anizotropie magnetické remanence Magnetická anizotropie hornin odráží magnetickou anizotropii jednolivých minerálních zrn a jejich přednostní orientaci. Jestliže známe magnetickou anizotropii jednotlivých minerálních zrn, pak z celkové anizotropie horniny můžeme určit jejich přednostní uspořádání. Studium vnitřní stavby hornin (Petrofabric) Optické metody: Fjodorovův (univerzální) stolek Rentgenová texturní goniometrie Neutronová goniometrie Difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD)

5 Magnetická anizotropie hornin Definice a využití V porovnání s ostatním metodami přednostní analýzy je magnetická anizotropie rychlá, levná, má velkou rozlišovací schopnost, může být aplikována systematicky na celých výchozech, vrtných jádrech nebo geologických jednotkách Využití ve strukturní geologii a tektonice, vulkanologii, sedimentologii

6 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Magnetický dipól Magnetický moment m = q.l q magnetický náboj l - vzdálenost

7 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Diamagnetismus křemen k = -15, opál k = -12, ortoklas k = -13, halit k = -10, kalcit k = -13, aragonit k = -15,0 10-6

8 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Paramagnetismus olivín k = dolomit k = pyroxen k = slídy k = amfibot k = granát k =

9 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Feromagnetismus Ferimagnetismus Antiferomagnetismus Feromagnetismus (s.s.) Magnetické domény regiony se souhlasně uspořádanými magnetickými momenty

10 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Ferimagnetismus magnetit k = 3-6 titanomagnetit k = 0,5 3,5 monoklin. pyrhotin k = 0,2 0,7

11 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Antiferomagnetismus hematit k = 0,001 0,2 hexagonal. pyrhotin

12 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Feromagnetismus (sensu stricto) kovové železo

13 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita k = M / H H M M = Mi + Mr Indukovaná magnetizace Remanentní magnetizace Mi = k H Magnetická susceptibilita

14 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Diamagnetismus Paramagnetismus Feromagnetismus M M M k < 0 k > 0 k >> 0 Indukovaná magnetizace působí proti směru vnějšího pole Magnetická susceptibilita je relativně malá, záporná Bez vnějšího pole je indukovaná magnetizace rovna nule křemen kalcit Indukovaná magnetizace ve směru vnějšího pole Magnetická susceptibilita je relativně malá, kladná Bez vnějšího pole je indukovaná magnetizace rovna nule pyroxeny amfiboly olivín slídy Složitější závislost mezi vnějším polem a indukovanou magnetizací Magnetická susceptibilita je relativně vysoká Bez vnějšího pole zůstává remanentní (zbytková) magnetizace železo magnetit hematit pyrhotin

15 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Magnetické vlastnosti některých vybraných minerálů Mineral Susceptibility [10-6 ] Degree of anisotropy Shape of anisotropy Anisotropy type Magnetite to 3.0 Variable Shape Hematite 1300 to 7000 >100 ~1.00 Pyrrhotite 100 to ~1.00 Actinolite to to 0.40 Hornblende 746 to Glaucophane Chlorite 70 to to 1.7 ~1.00 Biotite 998 to to 1.6 ~1.00 Phlogopite Muscovite 122 to Quartz to Calcite Aragonite

16 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Variace magnetická susceptibility v závislosti na chemickém složení ortopyroxenu Variace magnetická susceptibility v závislosti na chemickém složení titanomagnetitu

17 1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Příspěvky minerálů k celkové susceptibilitě horniny

18 2. Anizotropie magnetické susceptibility Anizotropie magnetické susceptibility (AMS) Magnetizatice izotropních látek M 1 = k H 1 M 2 = k H 2 M 3 = k H 3 Magnetizatizace anizotropních, lineárně magnetických látek M 1 = k 11 H 1 + k 12 H 2 + k 13 H 3 M 2 = k 21 H 1 + k 22 H 2 + k 23 H 3 M 3 = k 31 H 1 + k 32 H 2 + k 33 H 3 Maticový zápis M 1 = k 11 k 12 k 13 H 1 M 2 = k 21 k 22 k 23 H 2 M 3 = k 31 k 32 k 33 H 3 Vektor intenzity pole Vektor magnetizace Tenzor susceptibility

19 2. Anizotropie magnetické susceptibility Elipsoid jako geometrická reprezentace tenzoru M 1 = k 11 k 12 k 13 H 1 M 2 = k 21 k 22 k 23 H 2 M 3 = k 31 k 32 k 33 H 3

20 2. Anizotropie magnetické susceptibility Magnetická stavba stavba definovaná na základě magnetické anizotropie N M 1 = k 11 H 1 M 2 = k 22 H 2 M 3 = k 33 H 3 Kmax Kint Kmin

21 2. Anizotropie magnetické susceptibility Tvary elipsoidů anizotropie Rotační protažený (prolate) Trojosý protažený (prolate) Neutrální Trojosý zploštělý (oblate) Rotační zploštělý (oblate)

22 2. Anizotropie magnetické susceptibility Kvantitativní parametry elipsoidu anizotropie k 1 k 2 k 3 k m = (k 1 + k 2 + k 3 )/3 P = k 1 / k 3 L = k 1 / k 2 F = k 2 / k 3 hlavní susceptibility střední susceptibilita stupeň anizotropie magnetická lineace magnetická foliace T = (2n 2 - n 1 - n 3 )/(n 1 - n 3 ) tvarový parameter kde n 1 = ln k 1, n 2 = ln k 2, n 3 = ln k 3 +1 > T > 0-1 < T <0 Pj = P a a = (1+T 2 /3) planární magnetická stavba linearní magnetická stavba korigovaný stupeň anizotropie

23 2. Anizotropie magnetické susceptibility Diagramy tvaru a stupně anizotropie P-T diagram (Jelínek plot) Flinnův diagram

24 2. Anizotropie magnetické susceptibility Orientace elipsoidu anizotropie Lambertova plochojevná projekce na spodní polokouli

25 2. Anizotropie magnetické susceptibility Geographic coordinate system N Equal-area projection N= K1 K2 K3 180 B C D P T P E-03 Km [SI] 3.21E-03-1

26 3. Anizotropie minerálů Tvarová anizotropie Magnetit Krystalografická anizotropie ostatní minerály biotit

27 3. Anizotropie minerálů Krystalografická anizotropie Hematit k 1 = k 2 >> k 3 P > 100 Pyrhotin k 1 = k 2 >> k 3 P > 300

28 3. Anizotropie minerálů Krystalografická anizotropie Paramagnetické minerály

29 3. Anizotropie minerálů Krystalografická anizotropie Biotit k 1 = k 2 > k 3 P = Muskovit k 1 = k 2 > k 3 P = Chlorit k 1 = k 2 > k 3 P =

30 3. Anizotropie minerálů Magnetické vlastnosti některých vybraných minerálů Mineral Susceptibility [10-6 ] Degree of anisotropy Shape of anisotropy Anisotropy type Magnetite to 3.0 Variable Shape Hematite 1300 to 7000 >100 ~1.00 Pyrrhotite 100 to ~1.00 Actinolite to to 0.40 Hornblende 746 to Glaucophane Chlorite 70 to to 1.7 ~1.00 Biotite 998 to to 1.6 ~1.00 Phlogopite Muscovite 122 to Quartz to Calcite Aragonite

31 3. Anizotropie minerálů Stupeň anizotropie a tvar elipsoidu

32 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Přednostní uspořádání magnetických minerálů ve vzorku horniny BIOTIT AMFIBOL

33 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Závislost stupně anizotropie na přednostním uspořádání minerálů

34 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Elipsoid anizotropie susceptibillity ve vztahu ke strukturním prvkům v hornině FOLIOVANÉ HORNINY HORNINY S LINEÁRNÍ STAVBOU

35 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Orientační tenzor (matice) Orientační tenzor charakterizující přednostní orientaci Σl i 2 Σ l i m i Σ l i n i E = (1/n) Σ l i m i Σ m 2 i Σ m i n i Σ l i n i Σ m i n i Σ n 2 i l i, m i,n i E 1 > E 2 > E 3 směrové kosíny hlavní směry E 1 > E 2 = E 3 shluk (cluster) E 1 = E 2 > E 3 pás (girdle)

36 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Orientační tenzor (matice)

37 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Orientační tenzor (matice)

38 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Elipsoid anizotropie z orientačního tenzoru (a opačně) L = (AE 3 + B) / (AE 2 + B) F = (AE 3 + B) / (AE 3 + B) P = (AE 3 + B) / (AE 1 + B) A = 3(1 - P c ) / (2P c + 1) B = 3P c / (2P c + 1) magneticky zploštěná zrna P c = k 1 / k 3 L = (AE 1 + B) / (AE 2 + B) F = (AE 2 + B) / (AE 3 + B) P = (AE 1 + B) / (AE 3 + B) A = 3( P c -1) / (P c + 2) B = 3 / (P c + 2) magneticky protáhlá zrna P c = k 1 / k 3

39 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Porovnání AMS a neutronové texturní goniometrie c-osa chloritu N AMS orientační tenzor jílovec

40 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Anizotropie vypočtená a měřená 1 měřená AMS, 2 vypočtená pomocí texturní goniometrie

41 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Anizotropie vypočtená a měřená 1 měřeno AMS, 2 vypočteno pomocí Fjodorova stolku

42 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin magnetit biotit

43 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin

44 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin

45 4. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Vznik magnetických staveb vyššího řádu planární stavba lineární stavba