Magnetická anizotropie hornin (stručný přehled a využití v geologii) Martin Chadima AG ICO, s.r.o., Brno 1. Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie 2. Anizotropie minerálů 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin 4. Magnetická stavba sedimentárních hornin 5. Magnetická stavba vyvřelých hornin 6. Magnetická stavba metamorfitů 7. Odběr vzorků, měření a zpracování dat 8. Separace paramagnetické a feromagnetické anizotropie 9. Vztah mezi magnetickou anizotropií a deformací 1 Literatura •Tarling, D.H., Hrouda, F. 1993. The magnetic anisotropy of rock, Chapman & Hall, 217 s. •Lanza, R., Meloni, A. 2006. The Earth's Magnetism: An Introduction for Geologist. Springer, 278 s. (Kapitola 5) Kontakt Martin Chadima (chadima@sci.muni.cz) AGICO, s.r.o., Brno Přednášky http://www.sci.muni.cz/~chadima/geomagnetismus/ Definice a využití •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 •využití pro geologické mapování, ve strukturní geologii, sedimentologii, vulkanologii... 2 akladní principy magnetismu a magnetické anizotropie Magnetický dipól area = A Magnetický moment m = q.I q- magnetický náboj / - vzdálenost . Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie Stupeň namagnetování látky v magnetickém poli popisuje magnetizace M = Mi + Mr [A/m] / \ indukovaná magnetizace remanentní magnetizace Mi = kH magnetická susceptibilita Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie SCrj Paramagnetismus •indukovaná magnetizace ve směru vnějšího pole •magnetická susceptibilita je malá, kladná •bez vnějšího pole je indukovaná magnetizace rovna nule 'pyroxeny 'amfiboly 'Olivín 'Slídy Ferromagnetismus •složitější závislost mezi vnějším polem a indukovanou magnetizací •magnetická susceptibilita vysoká •bez vnějšího pole zůstává zbytková (remanentní) magnetizace 'železo 'magnetit 'hematit 'pyrhotin Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie Diamagnetismus Applied field No applied field of electrons křemen k = opál k = ortoklas k-halit k = kalcit k = aragonit k = -15,4 x 10-6 -12,9 x 10-6 -13,7 x 10-6 -10,3 x 10-6 -13,1 x 10-6 -15,0 x 10-6 Základn )y magnetí tické i pni lagnetismu a magnetické anizotropie Paramagnetismus Appuedfieid tttttt tttttt tttttt tttttt No applied (leid IVA*- * I o6 slídy /c =36-3040 x 10-6 amfibot k =750 -1368 x 10"6 granát k = 502 - 6780 x 10"6 Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie Feromagnetismus Ferimagnetismus Antiferomagnetismus Feromagnetismus (s.s.) ^\ m. - f^ §S_____ r 0 \ Ů J / Magnetické domény - regiony se souhlasně uspořádanými magnetickými momenty Ferimagnetismus t y Maximum 8 1. Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie Magnetická stavba - stavba definovaná na základě magnetickáé anizotropie M-| = k^ H1 /ímax M2 = k22 H2 M3 = k33 H3 ^min 1. Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie Tvary elipsoidů anizotropie Rotační protažený (prolate) \ Trojosý protažený (prolate) «.■vt* Trojosý zploštělý (oblate) Rotační zploštělý (oblate) akladní principy magnetismu a magnetické anizotropie Kvantitativní parametry elipsoidu anizotropie k,>k2>k3 ■(k, + k2+k3)/3 +- P = k,/k3 L = k^lk2 F=k2lk3 hlavní susceptibility střední susceptibilita stupeň anizotropie magnetická lineace magnetická foliace T={2n2-n^-n3)l{n^-n3) •*- kde n, = In ť(,,n,= In ŕ<„ n,= In fc. *1.»2~ '" "2. "3" + 1 > 7>0 -1 < 7<0 P'1 = P3 <---- a = V(1 + r2/3) tvarový parameter planární magnetická stavba lineární magnetická stavba korigovaný stupeň anizotropie . Základní principy magnetismu a magnetické anizotropie Diagramy tvaru a stupně anizotropie 0.50 5 0.25 E i 00° o. Q- -0.25 (O -0.50 P-T diagram (Jelínek plot) 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 Degree of anisotropy, Pj Flinnův diagram 10 ákladní principy magnetismu a magnetické anizotropie Orientace elipsoidu anizotropie Lambertova plochojevná projekce na spodní polokouli ■ Maximum principal axes, Kma, a Intermediate principal axes, Kin1 • Minimum principal axes, Kmin . Anizotropie minerálů •Tvarová anizotropie (magnetit) •Krystalografická anizotropie (ostatní minerály) ky Ľ ■} ■■■■--- -. i-.- *ihf a < V tnotitc-phlĽi£c>pi1e 11 .Anizotropie minerálů Tvarová anizotropie Magnetit Multidomain magnetite Single domain magnetite Au Anizotropie minerálů Krystalografická anizotropie OOI ion 0221 Hematit P>100 Pyrhotin P>300 12 2. Anizotropie minerálů Krystalografická anizotropie Paramagnetické minerály Pyroxene iurthopyroxeiie) Sisrpenlinr ■: - _■: ::.:| "..n ijmk c = It^,, ororlhortiomoKř a = K- Tremol itc imünottinie) wH1 i. : :■:■!■--I-' ........ . li - : b " Ik%, 2. Anizotropie minerálů Krystalografická anizotropie 007 010 W Biotit k1 = k2 > k3 P= 1.2-1.6 Muskovit 1^1 — 1^2 3 P= 1.3-1.4 Chlorit P= 1.2-1.8 13 2. Anizotropie minerálů Stupeň anizotropie a tvar elipsoidu ^ 1 u.' O I 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80 -1.00 1. Tourmaline • Phlogoplte Muscovite ■ß /• Glaucophane Chlorite Crocldollte H A Magnetite Hornblende • Siderlte 00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 Degree of anisotropy, Pj 2. Anizotropie minerálu Magnetické vlastnosti některých feromagnetických minerálů Mineral Composition Curie/Néel Saturation Mass tetnp.erature magnetization susceptibility CO (Am2lkg) (xlO-sSIIkg) 'Easy' directum Density (kg/m1) Magnetite a-Fe30+ 575 90-93 578 1.18 -0.30 * 5200 Maghaemite 7-Fe203 (350) 80-85 500 t + 4800 Haematite a-Fe203 680 0.2-0.5 25 >100 1.0 Basal 5300 Goethite 7-FeOOH 120-130 0.001-1 0.5-1.5 t + 4300 Pyrrhotite FeSl.H 320 1-2 0.1-20 3-400 0.8 Basal 4600 Fraiddinite ZnFe204 60 0.006-3 + t + 5340 Jacobsite MnFe204 300 0.7-3 + f + 4870 Chromíte FeCr204 -84 0.003-0.007 + t + 5090 CobalÜte CoAsS t 0.0005-0.2 t t + 6300 . Anizot izotropie mineráli Magnetické vlastnosti některých paramagnetických a diamagnetických minerálů Mineral Mean susceptibility (Six 10-6) r, T Reference Paramagnetic minerals Actinolite (1) 3560 1.136 -0.43 Actinolite (2) 6500 1.204 0.43 Hornblende 8920 1.665 -0.51 Crocidolíte 333 1.098 -0.25 Glaucophane 787 1.205 0.10 Chlorite (1) 358 1.262 0.74 Chlorite (2) 70 1.753 0.30 Chlorite (3) 1550 1.302 0.26 Chlorite (4) 370 1.154 0.42 Biotite (1) 1230 1.372 0.95 Biotite (2) 1180 1.319 0.98 Biotite (3) 998 1.198 0.90 Biotite (4) 1290 1.361 0.99 Phlogopite 1178 1.310 0.95 Muscovite (1) 165 1.413 0.44 Muscovite (2) 122 1.393 0.67 Siderite 3980 1.565 -0.90 Tourmaline 1690 1.005 1.00 Diamagnetic minerals Quartz (1) -13.4 1.01 1.0 3 Quartz (2) -15.4 1.01 1.0 4 Calcite -13.8 1.11 1.0 5 Dolomite -38.0 4.96 0.0 1 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Přednostní uspořádání magnetických minerálů ve vzorku horniny BIOTIT AMFIBOL 15 lagnetickou a minerálni stavbou hoi Elipsoid anizotropie susceptibillity ve vztahu ke strukturním prvkům v hornině FOLIOVANÉ HORNINY HORNINY S LINEÁRNI STAVBOU '"Sk íc) oriental ion diKinhiHion diKCrihulin» 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Orientační tenzor (matice) Orientační tenzor charakterizující přednostní orientaci E = (1/n) 2/i2 E /j/T?, E /j/7. E /j/T?, E /r?,2 E rn,/?; E /j/^j E mfix E n,2 /,, A77j, A7j směrové kosiny E-\>E2>E3 hlavní směry •E., > E2= E3 shluk (cluster) »Ej = E2>E3 pás (girdle) 16 Orientační tenzor (matice) 7- Woodcock (1977) e* ln(S2/S3) 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Orientační tenzor (matice) rod-shaped Flinn plot circular dualer y? La íl 6 í-)SĚ .4P* ft' m_ concentration girdle ■ _______oblate_______"-—y Jelinckplot «T- ioblate) {prolate) -H disc-shaped Id b = int/min disc-staped rml-sliLipeJ lagnetickou a minerálni stavbou hoi Elipsoid anizotropie z orientačního tenzoru (a opačně) L = (AE3 + B) I (AE2 + B) F = (AE3 + B) I (AE3 + B) P = (AE3 + B) I (AE, + B) A = 3(1-PC)/(2PC+1) ß = 3Pc/(2Pc + 1) magneticky zploštěná zrna Pc=k,lk3 L = (AE, + B) I (AE2 + B) F = (AE2 + B) I (AE3 + B) P = (AE, + B) I (AE3 + B) A = 3(Pc-1)/(Pc + 2) ß = 3/(Pc + 2) magneticky protáhlá zrna Pc=k,lk3 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Porovnání AMS a neutronové texturní goniometrie c-osa chloritu orientační tenzor 1.00 1.20 1.40 1.60 jílovec 18 lagnetickou a minerálni stavbou hoi Anizotropie vypočtená a měřená T Hematite Ore 1.0 i O 1 o o O o 1 0.8 D O 0 □ 0.6 0.4 □ a rP D O - 0.2 1 1 □ -1 , «-2 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 P' 1 - měřená AMS, 2 - vypočtená pomocí texturní goniometrie 3. Vztah mezi magnetickou a minerálni stavbou hornin Anizotropie vypočtená a měřená T Bites Gneiss (biotite) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 1.1 ]-l >-2 1.2 1.3 P 1 - měřeno AMS, 2 - vypočteno pomocí Fjodorova stolku 19 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin Závislost stupně anizotropie na přednostním uspořádání minerálů Pc = 1.62 (hornblende) Pc = 1.56(slderite) Pc = 1.40 (muscovite) Pc = 1.36 (chlorite) Pc = 1.33 (biotite) Pc = 1.2 (glaucophane) Pc = 1.18 (magnetite) Pc = 1.17(actlnolite) Pc = 1.12 (magnetite) 40 60 Degree of alignment (%) 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin magnetit ^ro ■ o z // / / / / / / / / / / / / / biotit lagnetickou a minerálni stavbou hoi tnu£ni:[ile kvtI mignetite tunc^ni in p malrix = 40% cliíoriie ■' 60u/»diajn^nciic nxl-shsncd Pj = fabric intensity (° anisotropy degret) 3. Vztah mezi magnetickou a minerální stavbou hornin disc-shaped 1 +1 ■ Biotäte Chlorite —G-0 Phlogopiťe 10 l . ■ .. AAA Astinohtc Magnetite content inppm Matrix = 40% named mineral + 60% dianwgneüc —i-------1------1-----1—i—r" 5 6 7 8 10 Pj = fabric intensity (= anisotropy degree) 21 Vztah mezi magnetickou anizotropií a stavbou hornin Vznik magnetických staveb vyššího řádu Kmax Kmax ~ Kint>> Kmin Kmin planární stavba lineární stavba 22