Magneettisen suskeptibiliteetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Fredrik Karell, Satu Mertanen ja Matti Leino

Transkriptio

1 Etelä-Suomen yksikkö Q16/2009/ Espoo Magneettisen suskeptibiliteetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Fredrik Karell, Satu Mertanen ja Matti Leino

2 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Fredrik Karell, Satu Mertanen ja Matti Leino Raportin laji Tutkimusraportti Toimeksiantaja Raportin nimi Magneettisen suskeptibiliteetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Tiivistelmä Magneettisen suskeptibiliteetin mittauksia varten GTK:n Etelä-Suomen yksikössä on käytössä kaksi kaupallista suskeptibiliteetti-siltaa (KLY3S ja KLY2) ja kaksi GTK:ssa rakennettua siltaa. Kaikki laitteet toimivat moitteettomasti, mutta laitteiden välisissä mittaustuloksissa huomattiin kuitenkin selviä eroja. Asian selvittämiseksi eri laitteilla tehtiin testimittauksia 43 magnetiitti- ja magneettikiisupitoiselle kivinäytteelle. Eri laitteilla näytteet mitattiin 13, 48, 130 ja 300 A/m vaihtovirtakentissä. Tulokset osoittavat, että magnetiitin suskeptibiliteetti ei ole mittauskentästä riippuvainen. Sen sijaan magneettikiisupitoisissa näytteissä suskeptibiliteetti kasvaa yleisesti ottaen käytetyn vaihtovirtakentän mukaisesti, riippumatta siitä onko suskeptibiliteetti alhainen, keskivertainen tai korkea. Hienorakeista, kovan koersiivisuuden omaavaa magneettikiisua sisältävien näytteiden suskeptibiliteetit eivät kuitenkaan ole riippuvaisia käytetystä kentästä. Tämän vertailusarjan ja laitteiden vertailukyvyn perusteella on mahdollista selvittää helposti ja nopeasti sisältävätkö näytteet karkearakeista vai hienorakeista magneettikiisua. Näytteet, jotka sisältävät karkearakeista magneettikiisua vaativat enemmän huomiota tulosten tulkinnassa. Jos tutkitaan suskeptibiliteetin absoluuttisia arvoja, tulisi näyte mitata GTK:n laitteilla joissa käytetään alhaisia A/m vaihtovirtakenttiä. Tällöin magneettikiisun kenttäriippuvuus ei vaikuta. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Magneettinen suskeptibiliteetti, vaihtovirtakenttä, kappasilta, magneettikiisu Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Q16/2009/27 Arkistotunnus Kokonaissivumäärä 7 Kieli Suomi Hinta Julkisuus Julkinen Yksikkö ja vastuualue Etelä-Suomen yksikkö, VA 215 Allekirjoitus/nimen selvennys Fredrik Karell Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys

3 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 MITTAUKSET 1 3 TULOKSET 2 4 YHTEENVETO 7 KIRJALLISUUSLUETTELO 7

4 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 1 1 JOHDANTO GTK:n Geofysiikan laboratorioiden magneettisen suskeptibiliteetin mittaustuloksissa huomattiin eroja eri laitteiden välillä. GTK:ssa on käytössä kaksi kaupallista suskeptibiliteettisiltaa, KLY-3S ja KLY-2 (Agico Inc.) ja kaksi GTK:ssa rakennettua siltaa; pieni silta ja iso silta. GTK:n laitteiden ja kaupallisten laitteiden välisissä tuloksissa todettiin jopa 50%:n eroja joillekin näytteille. Asian selvittämiseksi tehtiin eri laitteilla testimittauksia, joissa huomioitiin laitteiden yleinen kunto, lukkovahvistimen toimivuus (pieni silta), kalibroinnit, kelan koko, taajuus ja indusoitu kenttä. Myös mitatut magneettisen suskeptibiliteetin anisotropia-tulokset (AMS) otettiin huomioon. Kun GTK:n laitteiden todettiin toimivan kunnolla (mm. kalibroinnit), ja kun GTK:n ja Agicon laitteilla (KLY) on lähes samansuuruiset kelat, oli enää kyseessä joko taajuuden tai käytetyn vaihtokentän vaikutus. Taajuus on molemmissa laitteissa miltei sama. GTK:n pienen sillan taajuus on 1025 Hz (Puranen ja Puranen, 1977) KLY-3:n 875 Hz ja KLY-2:n taajuus 920 Hz. KLY:n mittauksissa käytetään 300 A/m:n indusoitua vaihtokenttää. GTK:n sillalla indusoitu kenttä ei ollut tunnettu, mutta epäiltiin sen poikkeavan KLY:ssä käytetystä kentästä ja eri tulosten johtuvan tästä erosta. Lopulta saatiin laskettua pienen sillan vaihtokentäksi noin 130 A/m, joka verrattuna KLY:n 300 A/m:n kenttään on siis huomattavasti pienempi. Kirjallisuudesta on tunnettua, että erityisesti magneettikiisun magneettiset ominaisuudet riippuvat indusoidusta kentästä (dewall & Worm, 1993; Hrouda, 2002; Hrouda et al. 2006; Martín-Hernandez et al. 2008). Muita mineraaleja, jotka ovat riippuvaisia kentästä, ovat hematiitti ja titanomagnetiitti. Raekoko on myös merkittävä tekijä kenttäriippuvuuteen (dewall & Worm, 1993; Hrouda, 2002). Magneettikiisun riippuvuus vaihtovirta kenttään on siis merkittävä sekä kokonaissuskeptibiliteetin mittauksissa että erityisesti AMS-tutkimuksissa. Tärkeitä parametreja AMStulkinnassa ovat anisotropia-asteen (P ) ja AMS-ellipsoidin muodon (T) lisäksi maksimi- ja minimi-akseleiden suunnat, joista saadaan magneettisten rakeiden suuntautumista kuvaavat venymä (lineaatio) ja liuskeisuus (foliaatio). Näistä parametreista P on se parametri, johon magneettikiisun kenttäriippuvuus vaikuttaa eniten (Hrouda, 2002; Hrouda et al. 2006; Pokorný et al. 2004). Pokornýn ja muiden (2004) sekä Hroudan (2002) mukaan magneettikiisun riippuvuus indusoidusta kentästä voidaan välttää mittaamalla suskeptibiliteetti tarpeeksi alhaisissa kentissä (alle 10 A/m). Meidän tulostemme mukaan 13 A/m on riittävän alhainen magneettikiisun kenttäriippuvuuden minimoimiseen. Magneettikiisupitoisten näytteiden AMS-tutkimuksissa anisotropiaastetta voidaan käyttää suhteellisten muutosten tarkasteluun, mutta absoluuttisia suureita tulisi välttää (Pokorný ja muut, 2004). 2 MITTAUKSET Magneettikiisun kenttäriippuvuuden selvittämiseen valitsimme näytesarjan, joka koostui 43 sylinterinäytteestä. Näytteet ovat noin 22 mm korkeita ja halkaisijaltaan 21 mm, ja tilavuus on noin 11 cm 3. GTK:n pienellä sillalla käytetään yleensä 10 voltin jännitettä, mutta vaihtoehtona on syöttää 1 voltin jännite (Puranen ja Puranen, 1977). Näin ollen indusoitu kenttä on yhden voltin tapauksessa noin 13 A/m. GTK:ssa on siten mahdollisuus mitata näytteet 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Kun otettiin mukaan vielä GTK:n iso silta, jonka kela on huomattavasti isompi ja indusoitu kenttä on 48 A/m, saatiin mukaan vielä neljäs kenttä mittaussarjan vertailuun. Iso silta on

5 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 2 suunniteltu suurien käsinäytteiden mittauksiin, joten sen vertailukelpoisuus pieniin sylinterinäytteisiin oli otettava huomioon. Näytesarjan mittauksissa (Taulukko 1) verrattiin siis neljää eri mittauslaitetta ja niiden vaihtokentän vaikutusta magneettisen suskeptibiliteetin suuruuteen: Pieni silta (1V=13 A/m), iso silta (48 A/m), pieni silta (10V=130 A/m), KLY-2 (300 A/m) ja KLY-3S (300 A/m). KLY-3S:n tuloksissa on huomioitava että sen antama kokonais-suskeptibiliteetti on keskiarvo näytteen kolmesta magneettisesta pääakselista [(k1+k2+k3)/3] ja sen johdosta arvot ovat hieman korkeampia. Myös iso silta antaa hiukan korkeampia arvoja johtuen ilmeisesti kelan isosta koosta suhteessa pieniin sylinterinäytteisiin. Testattavat näytteet valittiin muun muassa seuraavien ominaisuuksien perusteella: Suskeptibiliteetti (näytteitä joilla on korkea, keskivertainen tai alhainen suskeptibiliteetti) Magneettinen mineralogia (näytteitä, joiden tiedettiin sisältävän magneettikiisua tai magnetiittia kivimagneettisten ja optisten tarkasteluiden perusteella) Anisotropia-aste (näytteitä, joilla on korkea tai alhainen anisotropia-aste) 3 TULOKSET Mittaustulokset on piirretty neljään eri kaavioon niiden suskeptibiliteetin mukaan (Kuvat 1-4). Koska ison sillan tulokset eivät ole täysin vertailukelpoisia muiden laitteiden tulosten kanssa, niitä ei ole esitetty vertailussa. Samoin, vertailussa on mukana vain KLY-2:n tulokset. Kaikissa kuvissa on sekä magneettikiisu- että magnetiittipitoisia näytteitä. Tulokset osoittavat, että magnetiitin suskeptibiliteetti ei ole kentästä riippuvainen. Sen sijaan magneettikiisupitoisissa näytteissä suskeptibiliteetti kasvaa yleisesti ottaen kentän mukaan selvästi, riippumatta siitä onko suskeptibiliteetti alhainen, keskivertainen tai korkea. Osa magneettikiisupitoisista näytteistä ei kuitenkaan ollut riippuvaisia kentästä (näytteet FS11 ja FC4, Kuva 2), joten tarkasteluun otettiin myös koersiivisuus ja P -arvot. Lowrie-testeissä (Lowrie, 1990), joissa magneettista mineralogiaa selvitetään koersiivisuuden ja isotermisen remanentin magnetoituman lukkiutumislämpötilojen perusteella, näiden näytteiden kohdalla oli tullut esiin kovan ja pehmeän koersiivisuuden komponentit (Kuva 5). Sen sijaan SM-, JK ja JI-näytteissä (Kuvat 1, 2 ja 3), joissa tuli esiin voimakas kenttäriippuvuus, oli Lowrie-testien mukaan vain pehmeän koersiivisuuden magneettikiisua (Kuva 5). Kovan koersiivisuuden komponentit esiintyvät hienorakeisessa magneettikiisussa ja pehmeän karkearakeisessa magneettikiisussa. Tulokset siis viittaavat siihen, että koska näytteet FS11 ja FC4 (Kuva 2 ja 5) sisältävät hienorakeista, kovan koersiivisuuden omaavaa magneettikiisua, niiden suskeptibiliteetit eivät ole riippuvaisia käytetystä kentästä. Kääntäen voidaan siis todeta, että magneettikiisun kenttäriippuvuutta voidaan käyttää hyväksi raekoon selvittämisessä. Vertasimme myös näiden näytteiden P -arvojen ja kenttäriippuvuuden osuutta suskeptibiliteettiin (Taulukko 1). FS- ja FC-näytteillä on alhainen anisotropia-aste verrattuna SM-, JK- ja JI-näytteisiin, joissa P'-arvot ovat erittäin korkeat. Johtopäätös näistä tuloksista on siis se, että jos näytteessä on karkearakeista magneettikiisua (SM, JK ja SO, pehmeä koersiivisuus), on sillä myös korkea anisotropia-aste, jotka tekijät tulevat esiin myös voimakkaana suskeptibiliteetin kenttäriippuvuutena. Suskeptibiliteetin kenttäriippuvuuden mittaus eri indusoiduilla kentillä on huomattavasti nopeampi tapa selvittää magneettisten rakeiden raekokoa verrattuna koersiivisuuden mittauksiin.

6 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 3 Taulukko 1. Näyte Tilavuus GTK pieni silta GTK iso silta GTK pieni silta Agico KLY-2 Agico KLY-3S Anisotropia -aste (cm 3 ) (k 1 +k 2 +k 3 )/3 P' H(A/m) ~13 A/m 48 A/m ~130 A/m 300 A/m 300 A/m LB3-1B 11, ,027 LB7-1A 11, ,022 RA2-2B 11, ,036 RA7-1C 11, ,200 RB2-5A 11, RC1-1A 11, ,048 RC6-1A 11, ,207 VK5-2A 10, ,075 VK9-1B 10, ,202 EL5-2A 11, A 11, , B 11, , A 11, , A 10, ,014 AA1-1A 10, ,074 AB2-1A 10, ,031 AL1-1A 10, ,010 AO1-1A 10, ,020 AT1-1A 10, ,038 AU1-1A 10, ,011 KG6-1B 10, ,131 KH7-1B 11, ,050 SM3-1B 11, ,739 SM4-1C 11, ,227 SM7-1B 11, ,082 FS15-1B 10, ,480 JK4-1B 10, ,418 JK7-1B 10, ,186 SM1-1B 10, ,859 SM5-1A 10, ,103 SM6-1C 10, ,862 FA09-1C 10, ,156 FB03-1B 10, ,036 FC04-1C 10, ,076 FS11-1C 10, ,093 FO31-10A 10, ,071 FO32-24A 11, ,089 JO2-1C 10, ,252 JK5-1B 10, ,337 JI7-1B 10, ,257 VA3-1B 10, ,073 VL9-1B 10, ,085 KS4-7A 9,

7 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Suskeptibiliteetti (10-6 SI) SM7-1B SM4-1C AT1-1A 215.4A RA7-1C RC6-1A SM5-1A VL9-1B VA3-1B H (A/m) Kuva 1. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joilla on alhainen suskeptibiliteetti, alle 500 K(µSI) Suskeptibiliteetti (10-6 SI) JO2-1C SM1-1B FS11-1C KS4-7A FS15-1B EL5-2A 1.1A FC4-1C H (A/m) Kuva 2. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joiden suskeptibiliteetti on 500 ja 1600 K(µSI) välillä.

8 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Suskeptibiliteetti (10-6 SI) SM6-1C FA9-1C JI7-1B JK5-1B 26.2B AU1-1A SM3-1B JK4-1B JK7-1B H (A/m) Kuva 3. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joiden suskeptibiliteetti on 1000 ja K(µSI) välillä Suskeptibiliteetti (10-6 SI) KH7-1B KG6-1B VK9-1B AO1-1A AB2-1A LB3-1B RA2-2B RB2-5A H (A/m) Kuva 4. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joilla on korkea suskeptibiliteetti, yli K(µSI).

9 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 6 Näytteet, joilla on erittäin korkea suskeptibiliteetti (Kuva 4) sisältävät magnetiittia magneettikiisun sijaan. Nämä näytteet ovat riippumattomia kentän suuruudesta. Näytteissä, joissa on erittäin alhainen suskeptibiliteetti (alle 200 K(µSI), Kuva 1), on tarkkuus alhaisessa kentässä (13 A/m) otettava huomioon. Yleisesti näin alhainen suskeptibiliteetti magneettikiisupitoisissa näytteissä viittaa heksagoniseen, ei-magneettiseen, magneettikiisuun, joka ei ole riippuvainen käytetystä mittauskentästä. Kuva 5. Lowrie-testi. Näytteet SM 4, JI 7 ja JK 5 sisältää pehmeän koersiivisuuden omavaa karkearakeista magneettikiisua joka on vaihtovirtakenttästä riippuvainen. FS 11 ja FC 4 näytteet sisältävät hienorakeista, kovan koersiivisuuden omaavaa magneettikiisua ja näytteet FC 5, FB 3 ja FO 32 sisältävät magnetiittia. Näiden suskeptibiliteetit eivät ole riippuvaisia käytetystä kentästä.

10 Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 7 4 YHTEENVETO Tämän vertailusarjan ja laitteiden vertailukyvyn perusteella on mahdollista selvittää helposti, nopeasti ja vaivattomasti sisältävätkö näytteet karkearakeista magneettikiisua vai ei. Näytteet, jotka sisältävät karkearakeista magneettikiisua vaativat enemmän huomiota tulosten tulkinnassa. Raekoon selvittämisestä on hyötyä paitsi AMS:n tutkimuksissa, myös paleomagneettisissa tutkimuksissa, joissa raekoon merkitys remanentin magnetoituman stabiilisuuden kannalta on suuri. Jos tutkitaan pelkkää suskeptibiliteettia on parempi, että näyte mitataan alhaisissa kentissä (GTK:ssa A/m), jolloin magneettikiisun kenttäriippuvuus ei vaikuta. Jos kuitenkin halutaan tutkia anisotropia-astetta, jota yleisesti mitataan 300 A/m:n kentällä, on tyydyttävä suhteellisiin arvoihin. Kehitteillä on myös ohjelma, jolla magneettisen suskeptibiliteetin anisotropiaa voidaan mitata alhaisessa kentässä (13 A/m). KIRJALLISUUSLUETTELO Hrouda, F Low-field variation of magnetic susceptibility and its effect on anisotropy of magnetic susceptibility of rocks. Geophys. J. Int. 150, Hrouda, F., Chlupáčová, M. & Mrázová, S Low field variation of magnetic susceptibility as a tool for magnetic mineralogy of rocks. Physics of the Earth and Planetary Interiors 154, Lowrie, W., Identification of ferromagnetic minerals in a rock by coercivity and unblocking temperature properties. Geophysical Research Letters, 17, Martín-Hernandez, F., Dekkers, M. J., Bominaar-Silkens, I. M. A. & Maan, J. C Magnetic anisotropy behaviour of pyrrhotite as determined by low- and high-field experiments. Geophys. J. Int. Pokorný, J., Suza, P. & Hrouda, F Anisotropy of magnetic susceptibility of rocks measured in variablke weak magnetic fields using the KLY-4S Kappabridge. From: Martín- Hernandez, F., Lüneburg, C. M., Aubourg, C. & Jackson, M. (eds.) Magnetic Fabric: Methods and Applications. Geological Society. London, Special Publications, Puranen, M. & Puranen, R Apparatus for the measurement of magnetic susceptibility and its anisotropy. Geological Survey of Finland, Report of investigation No. 28. dewall, H. & Worm, H-U Field dependence of magnetic anisotropy in pyrrhotite: effects of texture and grain shape. Physics of the Earth and Planetary Interiors 76,