Q /27.2/78/ Päivi tetty M. Puranen. GEOLOGII\EI\ 1'LITKIMUSLAITOS Geofysiikan osasto Laiteseloste

Transkriptio

1

2 Q /27.2/78/ 1 M. Puranen GEOLOGII\EI\ 1'LITKIMUSLAITOS Geofysiikan osasto Laiteseloste Päivi tetty FLUGATE-TYYPPINEN MITTAUSLAITE KIVINÄYTTEIDEN REMANENSSI- MAGNETISMIN TUTKIMISTA VARTEN ("OERSTED-MITTARI") Surnrnary: FLUGATE TYPE INSTRLIMENT FOR MEASLIREMENT OF REMANENT MAGNETIZATION OF ROCK SAMPLES

3 F l u x g a t e - t y y p p i n e n m i t t a u s l a i t e k i v i n ä y t t e i d e n r e m a n e n s s i m a g n e t i s - m i n t u t k i m i s t a v a r t e n ("Oersted-mittari"] Johdanto Geologisen tutkimuslaitoksen geofysiikan osasto on suorittanut systemaattisia petrofysikaalisia tutkimuksia jo toistakymmentä vuotta. Alkuvuosina mitattiin kivinäytteistä vain magneettinen suskeptibiliteetti ja tiheys. Näyteaineiston ovat muodostaneet pääasiassa kallioperäosaston toimesta geologisen kartoituksen yhteydessä kerätyt kivinäytteet. Kivinäytteet ovat noin nyrkin kokoisia "nyrkkinäytteitä", joilla ei ole saannöllists muotoa. V ryhdyttiin petrofysikaalisten mittausten taydentamiseksi suunnittelemaan mittaria, joka soveltuisi nyrkkinäytteiden remanenssimagnetismin tutkimiseen. Pyrkimyksenä oli kehittää nopeisiin sarjamittauksiin soveltuva laite, jonka tarkkuuden ja herkkyyden ei tarvitsisi olla huippuluokkaa. Tällöin päädyttiin fluxgate-tyyppiseen mittauslaitteeseen osaksi siitä syystä, että geofysiikan laboratoriolle oli jo aikaisempaa kokemusta fluxyatemagnetometrin rakentamisessa, ja osaksi siksi, että tämän tyyppisiä instrumentteja on kirjallisuuden mukaan menestyksellä käytetty kivinäytteiden magneettisiin tutkimuksiin (esim. Collinson 1975, Sharma Fluxgate-elementtien ominaisuuksia ja niihin perustuvia geofysikaalisia laitteita ovat laajasti käsitelleet Wiese et al. ( Uuden mittauslaitteen kehitystyöhön ja testaukseen ovat osallistuneet M. Puranen, S. Lehtinen, K. Sulkanen ja R. Puranen. Laitteen työnimenä on laboratoriossa käytetty "Oersted-mittaria" ja "remanenssimittaria",

4 Mittauslaitteen kuvaus Mittauslaitteen muodostaa kaksi pääyksikköä (Kuva 11. Ensimmäiseen yksikköön sisältyy 2 fluxgate-elementtiä eli anturia ja mekaaninen laitteisto, jonka avulla tutkittava kivinäyte viedään lähelle fluxgate-elementtejä. Elementit on asennettu vastakkaissuuntaisiksi, niin että ulkoisten häiriökenttien vaikutus heikkenee. Jos ulkoiset häiriökentät ovat voimakkaat, voidaan niiden eliminoimiseksi koko ensimmäinen yksikkö ympäröidä mu-metallisuojuksella. Mittauslaitteen toinen pääyksikkö sisältää elektroniikan: vaihtovirtageneraattorin, signaalivahvistimen, vaihedetektorin ja digitaalinäytöllä varustetun ulostulomittarin. ' Kuvassa 2 on lohkokaavioin esitetty mittauslaitteen rakenne ja toiminta. Vaihtovirtageneraattorin sydämen muodostaa taajuudella 1 MHz toimiva kideoskillaattari. Frekvenssijakajien avulla kehitetään tästä lähtötaajuudesta kaksi frekvenssiä: 0 = 1988 Hz ja 2 fo = 3976 Hz. Taajuuden 1988 Hz omaavaa virtaa käytetään fluxgate-elementti- parin herätysvirtana ja 3976 Hz taajuista virtaa taas vaihedetektorin referenssisignaalina. Generaattorista fluxgateantureihin menevä virta suodatetaan ensin nauhafiltterin (f = hen ei jää yhtään harmoonisia Hzl avulla, niin että sii- Kunkin fluxgate-elementin muodostaa ohut mu-metalliliuska ja sitä ympäröivä kuparilankakäämi. Elementin pituus on noin 5 cm. Jos elementtiin vaikuttaa ulkoinen magneettinen kentta (taajuus fol, syntyy elementin napoihin 2 fo-taajuinen signaalijännite, jonka amplitudi on suoraan verrannollinen vaikuttavaan kenttään. Kun molempiin elementteihin vaikuttaa yhtä suuri ulkoinen kenttä, niin niiden signaalit kumoavat toisensa ja elementtiparin antama signaalijännite on nolla. Laitteen alkutrimmauksen yhteydessä säädetään elementtiparin signaalijännite nollaksi kahden pienen apumagneetin avulla (kts. kuva 2). Kun kivinäyte tuodaan fluxgate-elementtien läheisyyteen, vaikuttaa näytteen remanenssimagnetismin aiheuttama kentta pääasiassa näytettä lähempänä olevaan elementtiin. Tällöin saadaan elementtiparista 3976 Hz taajuinen signaali, jonka voimakkuus on verrannollinen näytteen remanenssimagnetismin mitattavaan komponenttiin. Mittaussignaalipuhdistetaan johtamalla se nauhafiltterin (3976 Hzl läpi, minkä jäl-

5 keen se vahvistetaan ja viedään vaihedetektoriin. Vaihedetektorista saatava OC-signaali vahvistetaan ja päätesignaalin E suuruus voidaan lukea digitaalisesta näyttömittarista. Mittauslaitteen yksityiskohtaiset kytkentäkaaviot selviävät kuvista 3-5. Kuvassa 3 on esitetty vaihtovirtageneraattorin kytkentäkaavio ja referenssisignaalin vaihekulman säätösysteemi. Nauhafilttereinä on laitteessa käytetty LC-filtterejä, joiden rakenne selviää kuvasta 4. Fluxgate-elementtiparista saatavan signaalin vahvistimien ja vaihedetektorisysteemin toiminta käy ilmi kuvasta 5. Flux~atesvsteemi.ia mittauslaitteen teoria Kivinäytteiden remanenssimagnetismin tutkimuksissa ovat eri tutkijat käyttäneet erilaisia näytteen ja fluxgate-elementtien välisiä asentoja. Yleensä. käytetään vahintaan kahta fluxgate-elementtiä, jotka on kytketty vastakkaissuuntaisiksi ("astaattisesti"). Kivinäytteen kaikkien kolmen magneettisen momentin (m m ja m 1 määrittämiseksi xj Y z on suoritettava vahintaan 3 mittausta, joissa näyte viedään kolmessa eri asennossa fluxgateanturien lähelle. Erilaisten mittausvirheiden pienentämiseksi suoritetaan mittaukset tavallisesti useampia näyteasentoja käyttäen, jolloin mittaussarja voi sisältää esim. 6 tai 12 eri havaintoa. Kuvassa 6 on esitetty muutamia mahdollisia mittausjärjestelyja. Ku- van 6A mukaista järjestelyä (asento Gauss 1.1 on käyttänyt mm Fromm ( Nyt rakennetussa mittauslaitteessa on toistaiseksi käytetty kuvassa 66 esitettyä järjestelyä (asento Gauss 2.). Kuvan 6C mukaista neljä fluxgateanturia sisältävää konfiguraatiota ja sen tarjoamia etuja on käsitellyt Sharrna ( Kaikkien järjestelmien 6A, B ja C varjopuolena on, että niissä kivinäytteen mahdollinen epähomogeenisuus aiheuttaa melko suuria virheitä mittaustuloksiin. Tilastollisissa tutkimuksissa nämä virheet tosin suurelta osin eliminoituvat keski- arvoja laskettaessa. Edellä mainitun laiset virheet ovat oleellisesti pienempiä, jos käytetään Helbig'in (19651 ehdottamaa kuvassa 60 esitettyä mittausjärjestelyä. Yhtä hyvä on kuvan 6 E mukainen järjestely ja erikoisen edullinen kuvassa 6F esitetty 4 fluxgateanturia sisältä-

6 vä symnetrinen systeemi. Voidaan osoittaa, että systeemejä 6 0, E ja F käytettäessä optimisuhde etäisyyksien h ja p välillä on h/p = Uusia mittausjärjestelmiä 6 E ja F on tarkoitus kokeilla lähitulevaisuudessa, minkä vuoksi niiden teoriaa ja koetuloksia käsitellään myöhemmin. Seuraavassa tarkastellaan yksityiskohtaisemmin nyt kaytännössä olevaa kuvan 66 esittämää systeemiä. Mittauksia suoritettaessa työnnetään tutkittava kivinäyte sieni- kumia täytteenä käyttäen kuution muotoisen muovikotelon sisälle siten, että näytteen ja kuution keskipisteet likimäärin yhtyvät (kts. kuva 71. Muovikuution särmien suunnat vastatkoon xyz-koordinaatiston akselien suuntia. Olkoon kivinäytteen volyymi v ja sen x-akselin suuntainen magneettinen momentti m ja magnetoituminen M. Kun mitataan m ja v, saadaan M yhtälöstä: Kivinäytteen magneettisen momentin m voidaan ajatella likimäärin johtuvan magneettisesta dipoolista, jonka voimakkuus on m sijaitsee näytteen ( ja joka ja muovikuutionl keskipisteessä. Jos näyte olisi pallon muotoinen ja homogeenisesti magnetoitunut, olisi pallon keski- pisteeseen sijoitettu dipooli tarkka malli. Koska näyte ei ole pallo - mainen eikä yleensä myöskään homogeeninen, on dipooli vain aproksimaa- tio. Olkoon kuvan 66 tapauksessa dipoolin ja sitä lähempänä olevan fluxgate-elementin P,, välimatka p ja fluxgate-elementtien P ja P2 1 välinen etäisyys h. Momentti m synnyttää elementteihin P1 ja P2 vaikuttavat magneettivuon tiheydet B,, ja B2: Fluxgateparin signaali on verrannollinen erotukseen B : Momentti m on siten

7 Yhtälöiden (11 ja (5) perusteella saadaan näytteen magnetoitumisen arvoksi Fluxgate-elementillä saavutettavissa oleva magneettisen kentän mittaustarkkuus on yleensä noin nt InT = 1 gamma). Nyt rakennetussa laitteessa mitattiin fluxgateparin kohinatasoksi 0.3 nt eli erotuksen B standardivirhe oli: Elementtien välinen etäisyys on laitteessa kiinteä (h = 10 cm) ja näytteen etäisyys tavallisesti jokin arvo väliltä p = cm Sijoittamalla yhtälöön (61 numeroarvot: p = h = 0.1 m, v = m, -7 B = s (B! = 0.3 nt ja po = 4~. 10 Vs/Am saadaan fluxgate-element- tien kohinasta johtuvaksi magnetoitumisen M standardivirheeksi (eli laitteen herkkyydeksil : Jos yhden mittauksen sijasta suoritetaan komponentin M mäaritystä varten 2 tai 4 mittausta pienenee virhe J2 ja 2 kertaisesti (s = ja 0.09 A/m). Käytännössä saavutetaan mittauslaitteella pie- nien M -arvojen määrityksessä noin 0.02 A/m tarkkuus, mikä osoit- taa, että virheet johtuvat tällöin pääasiassa fluxgate-elementtien kohinajännitteesta. Fluxgateparin antama signaali vahvistetaan mittauslaitteessa li- neaarisesti, joten digitaalisen näyttömittarin lukema E B ovat suoraan verrannollisia: ja suure Yhtälöistä 161 ja (91 seuraa:

8 Kivinäytteen magnetoiturninen M voidaan laskea yhtälön (10) perus- teella, kun tunnetaan näytteen volyymi v, näyttömittarin lukema E ja käytettyä etäisyyttä p ja vastaava skaalakerroin C. Edellä on esitetty miten kivinaytteen magneettisen rnomentin yksi komponentti m ja rnagnetoituminen M maäritetaan. Vastaavalla taval- la mitataan magnetoitumiset M ja MZ. Kokonaismagnetoiturninen M Y saadaan yhtälösta: Mittauslaitteen kalibrointi Mittauslaitteen kalibrointi eli skaalakertoimen C tys suoritetaan yhtälön kokeellinen rnääri- (II) perusteella mittaamalla tunnetun magneet- tisen mornentin m eri etäisyyksillä p aiheuttamat lukemat Ex. Periaatteessa riittäisi kertoirnen määritys yhdellä etäisyydellä p, sillä yhtälön (12) avulla voitaisiin sitten laskea muita etäisyyksiä vastaavat C-arvot, mutta käytännössä on parempi suorittaa kokeelli- nen rnaäritys usearnmilla eri etäisyyksillä. Mikäli laitteessa käyte- tään mu-rnetallisuojusta, kokeellinen määritys eri p-arvoilla on vält- tämätöntä, sillä yhtälö (12) ei ole silloin voimassa. Mu-metalli- suojuksen ansiosta dipoolin kenttä heikkenee nopeammin kuin kääntäen verrannollisesti etäisyyden kolmanteen potenssiin. Kertoirnen C rnaärityksessa käytettiin tunnetun magneettisen momentin m omaavana Ynäytteena" kuparilankakaämiä eli solenoidia (halkaisija d, kierrosluku IU1, jonka läpi johdettiin tasavirta 1.

9 Käämin akselin suuntainen magneettinen momentti on: Mittauslaitteessa voidaan vaihtoehtoisesti joko käyttää tai olla käyttämättä mu-metallisuojusta. Kumpaakin vaihtoehtoa varten oli luonnollisesti tehtävä oma kalibrointinsa, silla dipoolin magneettisen kentän heikkenemislaki on kummassakin tapauksessa erilainen. Mumetallisuojus heikentää paitsi ulkoisia häiriöitä myös mitattavia kenttiä, ellei suojasylinterin säde ole paljon suurempi kuin etäisyys p. Mu-metallisuojusta on syytä käyttää vain siinä tapauksessa, että mittauspaikalla esiintyy voimakkaita ulkoisia häiriöitä. Kävtetvt 6.ia 12 nävteasennon mittaussariat Kivinäytteen epähomogeenisesta magnetoitumisesta, epäsäsnnöllisestä muodosta ja naytteen eksentrisyydestä (näytteen keskipiste ei täysin yhdy sitä ympäröivän muovikuution keskipisteeseen) johtuu virheitä, joita voidaan pienentää suorittamalla mittaussarja useita näyteasentoja käyttäen. Rutiinimittauksissa on toistaiseksi käytetty 6 asennon mittaussarjoja [kuva 81. Tarkempia tuloksia haluttaessa voidaan käyttaa 12 asennon sarjoja (kuva 9). Kuvan 8 mukaisissa kuuden asennon sarjoissa lasketaan naytteen magnetoitumisen komponentit yhtalöistä 12 mittauksen sarjoissa (kuva 9) ovat vastaavat yhtälöt:

10 Mittaussarjoissa on perättäiset näyteasennot valittu siten, että laitteen "nollapisteen" (lukema ilman kivinäytettäl arvo ei vaikuta lopputuloksiin. 12 havainnon sarjassa eliminoituu lisäksi laitteen mahdollisen lineaarisen käynnin vaikutus. Nyrkkinäytteiden remanenssimagnetismin mittauksissa saavutettu tarkkuus riippuu monista vaihtelevista tekijöistä (esiin. naytteen epähomogeenisuus, naytteen koko ja muoto, eksentrisyys, etaisyys p ja havaintojen lukumäärä] minkä vuoksi on vaikeata esittää siitä täsmällistä lukua. Voidaan kuitenkin todeta, että tarkkuus on 10% kertalukua. Kuvan 6 eri mittausjärjestelmiin liittyvät virhetarkastelut tullaan suorittamaan yksityiskohtaisemmin toisessa raportissa. Yhteenveto Kivinäytteiden remanenssimagnetismin tutkimista varten rakennettiin Geologisen tutkimuslaitoksen geofysiikan laboratoriossa v fluxgate-tyyppinen mittauslaite, joka soveltuu erikoisesti ns. nyrkki- näytteiden mittaamiseen. Tämä mittauslaite ("Oersted-mittari" tai '"remnenssimittari" 1 sisältää kaksi pääyksikköä. Ensimmäiseen kuuluu kaksi fluxgate-elementtiä sekä laitteet kivinäytteen viemiseksi elementtien läheisyyteen. Toinen on elektroniikkayksikkö, johon sisältyy ac-ge- neraattori, signaalivahvistin ja digitaalinen nayttömittari. Flux- gate-elementit on asennettu antiparalleelliseen asentoon ulkoisten magneettisten häiriöiden vaikutuksen eliminoimiseksi. Jos ulkoiset hairiökentät ovat voimakkaita, voidaan ensimmäinen yksikkö sijoittaa mu-metallisuojuksen sisälle. Mittauksia suoritettaessa viedään tut- kittava kivinäyte (kuution muotoiseen muovipitimeen sijoitettuna) 12- helle fluxgate elementtejä (etäisyys cm). Havaintosarja sisal-

11 täa 6 tai 12 eri näyteasentoa. Mittaustuloksista lasketaan magne- toiturnisen 3 komponenttia ja kokonaismagnetoiturninen. Mittauslait- 3 teen herkkyys on noin 0.02 A/rn mitattaessa keskikokoisten (200 cm 1 nyrkkinaytteiden remanenssimagnetismia.

12 Surnrnary: FLUGATE TYPE INSTRUMENTS FOR MEASUREMENT OF REMAIUENT MAGNETIZATION OF ROCK SAMPLES A fluxgate type instrurnent for investigation of rock magnetisrn was built in 1975 in the Geophysical laboratory of the Geological Survey. This instrurnent was especially constructed for the rneasurernent of hand samples of arbitrary shape. The instrurnent consists of two rnain units. The first one includes two fluxgate probes and rneans for bringing the rock sarnple near the probes. The second one is an electronic unit cornprising an ac-generator, signal arnplifier and an output rneter with digital display. The fluxgate probes are in antiparallel alignrnent to elirninate the effect of external disturbing fields. If external fields are strong the first unit can be supplied with a cylindrical rnu-rnetal shield. The sarnple to be investigated is placed into a cubic sarnple hol- der and brought near the fluxgate probes Idistance crnl. An observation series includes 6 or 12 rneasurements with different sarnple directions. From rneasurernents the intensity of rnagnetization and its three cornponents are calculated. The sensitivity of the instrurnent is about 0.02 A/rn in rneasurernents of rnagnetization of 3 medium size 1200 cm ) rock sarnples.

13 Alan kirjallisuutta Frornrn, K., 1967, Measurernent of N.R.M. with fluxgate unit. In: D.W. Collinson, K.M. Creer and S.K. Runcorn (Editorsl, Methods in Paleornagnetisrn. Elsevier, Amsterdam, pp Collinson, D.W., 1975, Instrurnents and techniques in paleornagne- tism and rock rnagnetism, Rev. Geophys. Space Phys. 13, Helbig, K., Optimum configuration for the rneasurernentc of magnetic rnornent af sarnples of cubical shape with a fluxgate magnetorneter. Jour. Geornagn. Geoelec. Prirndahl, F., Bibliography of fluxgate magnetorneters. Publ. Earth Phys. Branch, vol. 41, no. 1, Dept. Energy, Mines and Resources, Ottawa, Canada. Sharma, P.V., Choice of configuration for measurernent of magnetic mornent of rock specirnens with a fluxgate unit. Geoexploration 6, Sch'midt, H. und Lucke, O., Neuere Messrnethoden der Geornagnetik. In: G. Fanselau (Editor), Geomagnetisrnus und Aeronomie, Bd. II. VEB Deutscher Verlag der Nissenschaften, Berlin, p

14

15

16 Kuva

17

18

19

20

21

22

23

24

25