Etelä-Suomen yksikkö Q16/2009/27 29.4.2009 Espoo Magneettisen suskeptibiliteetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Fredrik Karell, Satu Mertanen ja Matti Leino
Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 29.4.2009 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 13-48 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
Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 MITTAUKSET 1 3 TULOKSET 2 4 YHTEENVETO 7 KIRJALLISUUSLUETTELO 7
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
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.
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 11,2 23847 23970 24171 24311 1,027 LB7-1A 11,4 180 160 184 181 1,022 RA2-2B 11,5 23102 23200 23411 23480 1,036 RA7-1C 11,3 265 230 210 210 1,200 RB2-5A 11,4 37026 37200 37867 37758 RC1-1A 11,2 12247 12290 12389 12453 1,048 RC6-1A 11,3 356 380 361 404 1,207 VK5-2A 10,7 14737 14830 14928 14991 16580 1,075 VK9-1B 10,6 81680 83950 82967 83621 87540 1,202 EL5-2A 11,5 882 890 896 964 1.1A 11,2 1147 1180 1159 1201 1230 1,085 26.2B 11,3 3875 4070 3949 3977 4060 1,018 212.1A 11,2 15542 15620 15839 16136 16800 1,034 215.4A 10,7 139 150 143 142 141 1,014 AA1-1A 10,7 26458 26520 26931 27032 28100 1,074 AB2-1A 10,7 48133 48190 48986 48786 48680 1,031 AL1-1A 10,9 245 250 246 246 248 1,010 AO1-1A 10,8 41036 41040 41754 41563 41460 1,020 AT1-1A 10,9 159 220 164 160 159 1,038 AU1-1A 10,9 5807 5860 5896 5902 5954 1,011 KG6-1B 10,9 148802 159320 151763 152119 144000 1,131 KH7-1B 11,0 92198 96740 94079 94737 93990 1,050 SM3-1B 11,1 4024 5030 5179 9014 7360 3,739 SM4-1C 11,1 97 100 105 126 102 1,227 SM7-1B 11,0 234 260 294 462 352 2,082 FS15-1B 10,6 1021 1050 1041 1125 1080 1,480 JK4-1B 10,0 2019 2560 2600 4300 5095 1,418 JK7-1B 10,0 4165 4490 5191 9100 10040 1,186 SM1-1B 10,9 757 1030 965 1531 1130 2,859 SM5-1A 10,6 116 150 98 100 89 1,103 SM6-1C 10,6 2461 2890 2582 4626 3480 1,862 FA09-1C 10,4 4452 4690 4523 4522 4440 1,156 FB03-1B 10,7 569 600 569 568 599 1,036 FC04-1C 10,7 601 640 589 587 612 1,076 FS11-1C 10,6 1033 1120 1037 1041 992 1,093 FO31-10A 10,6 428 450 389 392 421 1,071 FO32-24A 11,0 692 700 691 691 484 1,089 JO2-1C 10,8 837 940 909 1273 1260 1,252 JK5-1B 10,5 2812 3460 3233 5115 5440 1,337 JI7-1B 10,5 1409 1690 1674 2835 2920 1,257 VA3-1B 10,7 391 350 384 386 396 1,073 VL9-1B 10,6 351 340 352 352 365 1,085 KS4-7A 9,7 568 570 567 565
Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 4 500 Suskeptibiliteetti (10-6 SI) 350 200 SM7-1B SM4-1C AT1-1A 215.4A RA7-1C RC6-1A SM5-1A VL9-1B VA3-1B 50 0 50 100 150 200 250 300 H (A/m) Kuva 1. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joilla on alhainen suskeptibiliteetti, alle 500 K(µSI). 1600 1400 Suskeptibiliteetti (10-6 SI) 1200 1000 800 JO2-1C SM1-1B FS11-1C KS4-7A FS15-1B EL5-2A 1.1A FC4-1C 600 400 0 50 100 150 200 250 300 H (A/m) Kuva 2. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joiden suskeptibiliteetti on 500 ja 1600 K(µSI) välillä.
Magneettisen suskeptibilieetin mittaukset eri vaihtovirtakentissä 5 10000 Suskeptibiliteetti (10-6 SI) 7000 4000 SM6-1C FA9-1C JI7-1B JK5-1B 26.2B AU1-1A SM3-1B JK4-1B JK7-1B 1000 0 50 100 150 200 250 300 H (A/m) Kuva 3. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joiden suskeptibiliteetti on 1000 ja 10000 K(µSI) välillä. 160000 130000 Suskeptibiliteetti (10-6 SI) 100000 70000 KH7-1B KG6-1B VK9-1B AO1-1A AB2-1A LB3-1B RA2-2B RB2-5A 40000 10000 0 50 100 150 200 250 300 H (A/m) Kuva 4. Kenttäriippuvuus 13, 130 ja 300 A/m kentissä. Näytteet, joilla on korkea suskeptibiliteetti, yli 10000 K(µSI).
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.
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 13-48 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. 2002. Low-field variation of magnetic susceptibility and its effect on anisotropy of magnetic susceptibility of rocks. Geophys. J. Int. 150, 715-723. Hrouda, F., Chlupáčová, M. & Mrázová, S. 2006. Low field variation of magnetic susceptibility as a tool for magnetic mineralogy of rocks. Physics of the Earth and Planetary Interiors 154, 323-336. Lowrie, W., 1990. Identification of ferromagnetic minerals in a rock by coercivity and unblocking temperature properties. Geophysical Research Letters, 17, 159-162. Martín-Hernandez, F., Dekkers, M. J., Bominaar-Silkens, I. M. A. & Maan, J. C. 2008. Magnetic anisotropy behaviour of pyrrhotite as determined by low- and high-field experiments. Geophys. J. Int. Pokorný, J., Suza, P. & Hrouda, F. 2004. 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.) 2004. Magnetic Fabric: Methods and Applications. Geological Society. London, Special Publications, 238. 69-76. Puranen, M. & Puranen, R. 1977. Apparatus for the measurement of magnetic susceptibility and its anisotropy. Geological Survey of Finland, Report of investigation No. 28. dewall, H. & Worm, H-U. 1993. Field dependence of magnetic anisotropy in pyrrhotite: effects of texture and grain shape. Physics of the Earth and Planetary Interiors 76, 137-149.