Magnetická anizotropie hornin (stručný přehled a využití v geologii) Přednáška 3
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
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie magnetit biotit
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility Magnetická anizotropie při nízké teplotě Magnetická anizotropie ve vysokých polích Anizotropie magnetické remanence
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
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility ferromagnetických látek Magnetit Curieova teplota T c = 575 C
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility ferromagnetických látek Hematit Hopkinsonův peak Morinův přechod Curieova teplota T c = 680 C
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Teplotní závislost magnetické susceptibility ferromagnetických látek Pyrhotin (monokl.) T c = 325 C
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Hornina s amfibolitem a magnetitem hyperbola T c magnetitu
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 www.agico.com
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
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Zpracování naměřených křivek - program Cureval www.agico.com výsledky separace
1. Základní principy magnetismu a magnetická susceptibilita Diamagnetismus Paramagnetismus Feromagnetismus M M M k < 0 k > 0 k >> 0 paramagnetika ferromagnetika
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Torzní magnetometr
8. Separace paramagnetické a ferromagnetické anizotropie Magnetická anizotropie ve vysokých polích Separuje stavbu nesenou paramagnetickými minerály
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
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
Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) Bostonite N Camptonite N Trachybasalt N N=39 N=28 N=42 270 90 270 90 270 90 K1 K2 K3 180 K1 K2 K3 180 Normal fabric Inverse fabric Anomalous fabric K1 K2 K3 180
Anisotropy of anhysteretic remenence (AMR) Bostonite N Camptonite N Trachybasalt N N=10 N=10 N=6 270 90 270 90 270 90 K1 K2 K3 180 K1 K2 K3 180 Normal fabric Normal fabric Anomalous fabric K1 K2 K3 180
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)
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací AMS STRAIN Geographic coordinate system N Equal-area projection N=35 270 90 K1 K2 K3 180 D
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
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací AMS Strain
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 1. Matematické modelování 2. Empirické vztahy 3. Experimentální deformace
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 1. Matematické modelování R/φ Bilby March Jeffery
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Pasivní (duktulní) vs. line-plane model
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací PASIVNÍ A DUKTIVNÍ MODEL Pasivní model Změny stupně anizotropie pro různé viskózní kontrasty
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací LINE/PLANE MODEL
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací VISKÓZNÍ MODEL oblátní zrna, a=b>c MAGNETIT HEMATIT PYRHOTIN BIOTIT/CHLORIT
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
Konkrece Xenolity Oolity Redukční skvrny 9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Empirické vztahy mezi Pj a stupněm deformace
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací Empirické vztahy mezi Pj a stupněm deformace Slídy Slídy Lapili Lapili
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 3. Experimentální deformace plastelína+minerální zrna Zploštění MD magnetit SD maghemit Transprese Borradaile, 1997
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací
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
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací http://www.iamg.org/cgeditor/index.htm (Ježek & Hrouda, 2007)
9. Kvantitativní vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací AMS nám nepodá žádnou informaci o kinematice deformace
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).
Wilson, J. T. 1963. A possible origin of the Hawaiian Islands. Canadian Journal of Physics, 41, 863-670.
O'ahu
Magnetic anisotropy investigations in O ahu Geology of O ahu
Magnetic anisotropy investigations in O ahu Review of AMS investigations Knight & Walker 1988 (1987) Knight 1988 Canon-Tapia et al. 1997 Herrero-Bervera et al. 2002 Herrero-Bervera & Henry 200? Krása & Herrero-Bervera 2005
Magnetic anisotropy investigations in O ahu Ko olau Makapu u Point lava tube
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
Red Hill section (in Brno) loess paleosol loess paleosol silty paleosol loess
Anisotropy of magnetic susceptibility (Red Hill) N 270 90 K1 K2 K3 180 N=85
Grain size dependent parameters (Red Hill) 0 0 k 200F1 [10-6 SI] 0 200 400 600 800 0 k FD [%] -1.2-0.8-0.4 0 0.4 0 P 1 1.01 1.02 1.03 1.04 0 Ratios [%] 0 5 10 15 20 25 χ 12 χ 23 50 50 50 50 50 χ 13 IRM TD IRM VD 100 100 100 100 100 150 150 150 150 150 Depth [cm] 200 250 200 250 200 250 200 250 200 250 300 300 300 300 300 350 350 350 350 350 400 400 400 400 400 450 Clay Silt 450 450 450 450
Flysch-like Proterozoic sediments (Hajná et al., in press, Precam. Res.)