Szerzők: Előzmények: OTKA-6875: MÁGNESES FÁZISÁTALAKULÁS A FÖLDKÉREGBEN ÉS GEOFIZIKAI KÖVETKEZMÉNYEI

OTKA-6875: MÁGNESES FÁZISÁTALAKULÁS A FÖLDKÉREGBEN ÉS GEOFIZIKAI KÖVETKEZMÉNYEI

Szerzők: 1. Szarka László, MTA, Geodéziai és Geofizikai Kutató Intézet, Sopron 2. Kiss János, Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikai Intézet, Budapest 3. Prácser Ernő, Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikai Intézet, Budapest 4. Ádám Antal, MTA, Geodéziai és Geofizikai Kutató Intézet, Sopron

2010. november 24.

OTKA seregszemle 2010

1


Előzmények: 1885. Hopkinson J. — az „Fe” vizsgálata során felfedezi a róla elnevezett jelenséget (Hopkinson-csúcs vagy Hopkinson-effektus); 1895. Curie P.

— felfedezi, hogy egy adott hőmérsékleten a ferromágneses anyagok elvesztik mágneses tulajdonságaikat — Curie-hőmérséklet (Nobel-díj);

1970. Néel L.

— antiferromágnesség, ferrimágnesség felfedezése — Néel-hőmérséklet (Nobel-díj);

1974. Dunlop D. J. — feltételezi, hogy az értelmezésekhez nagyobb a szuszceptibilitás szükséges, mint a felszínen ismert kőzetek szuszceptibilitása (a Hopkinson-effektus először tűnik fel, mint lehetőség a geofizikában); 1982. Wilson K. G. — a fázisátalakulással kapcsolatos kritikus jelenségek vizsgálata (Nobel-díj). 2002. Rüdt C.

— Co, Ni mikrorétegeken elvégzett laborvizsgálatok, a Hopkinsoncsúcs kimutatása különböző körülmények között (kísérleti fizika);

2005. Kiss et al.

— a magnetotellurikus anomáliák és a bázisos magmás kőzetek kapcsolatának feltételezése — a Hopkinson-csúcs ismételt megjelenése a geofizikában (Geophysical Research Letters, Magyar Geofizika, OTKA);

2010. november 24.


2

1


Ferromágneses anyagok Az elemek közül a Fe (770˚C), a Co (1131˚C) és a Ni (358˚C) ferromágneses, ebből az következik, hogy azok az ásványok ferromágnesesek, amelyek ezekből az elemekből állnak, illetve tartalmazzák ezeket (például az ötvözeteik).

ásvány

képlet

ásvány

képlet

magnetit

Fe3O4

maghemit

γFe2O3

ulvöspinel

Fe2TiO4

trevorit

NiFe2O4

hematit

αFe2O3

jakobzit

MnFe2O4

ghoetit

αFeOOH

magnezioferrit

MgFe2O4

lepidokrokit

γFeOOH

ilmenit

FeTiO3

sziderit

FeCO3

pirrhotin

FeS

Hol vannak a Co és Ni tartalmú mágneses ásványok, miért csak a vastartalmú ásványok ferromágnesesek? Clarke-szám megadhatja a választ: Fe – 51000 g/t Ni – 80 g/t Co – 30 g/t

Spontán mágneses momentumok a különböző ferromágneses anyagok esetében 2010. november 24.

4,7 % 0,015 % 0,0037 %


3


Hopkinson-effektus XIX század Kb. 5050-szeres mágneses permeabilitás növekedés a vasnál

Az Fe Curie hőmérséklete Tc= 770 ˚C, permeabilitása µr= 200 2010. november 24.


4

2


Hopkinson-effektus XX. század

Ferromágneses ásványok CurieCurie-hőmérséklete és a geotermikus gradiens

A szuszceptibilitás-változás hőmérsékletfüggése változó mágneses tér esetén a vasnál (Логачев és Захаров 1979) (a mágneses térerő Oersted-ben, szuszceptibilitás CGS-ben) 2010. november 24.


5


Mágneses fázisátalakulás Mágneses fázisátalakulás a Curie-hőmérséklet alatt M – mágnesezettség C – fajhő

χ– mágneses

szuszceptibilitás

Mágneses fázisátalakulás — átmenet az egyik termodinamikai állapotból a másikba, átmenet az anyagok ferromágneses és paramágneses fázisa között. A mágneses fázisátalakulás egy folyamatos másodrendű fázisátalakulás, aminek kritikus pontja a Curie-hőmérséklet. A kritikus ponton a remanens mágnesezettség megszűnik, a mágneses permeabilitás és a fajhő rendkívüli mértékben megnő.

ferromágnesség 2010. november 24.

Tc

paramágnesség

T OTKA seregszemle 2010

6

3


Labormérések I. Rüdt és kollégái megállapították, hogy a Curie-hőmérséklet kiméréséhez nagyon lassú 5 mK/s hőmérsékleti letapogatás szükséges — szép Hopkinson-csúcsokat kaptak!

Ásványokon végzett mérések során a ritka mintavételezés miatt esetleg nem is jelentkezik a Hopkinson-csúcs ! 2010. november 24.


7


Hopkinson-effektus okozta szuszceptibilitás változás a földkéregben? Sajnos csak feltételezéseink vannak, és sokáig csak azok lesznek, mert kicsi az esély, hogy ebben a mélységtartományban „in situ” méréseket végezzünk. A „szupermély” fúrások csak a Pannonmedence geotermikus gradiense mellett érnék el a magnetitnek megfelelő Curie-mélységet!

2010. november 24.

Év

Név, hely

Cél

Elért mélység

1974

Berta Rogers (USA)

gázkutatás

9583 m

1983

Zistersdorf ÜT-2 (Ausztria)

gázkutatás

8553 m

1985

Kola félsziget SG-3 (Szovjetunió)

tudományos kutatás

12260 m

1985

Mirow (Németország)


8008 m

1990-94

KTB Oberpflaz VB (Németország)


8000 (10000) m


8

4


A fajhő (geotermikus kályha) Mágneses fázisátalakulás a Curie-hőmérséklet alatt M – mágnesezettség C – fajhő

A magas fajhő annyit jelent, hogy az anyag nagy hőmennyiség befogadására képes anélkül, hogy a saját hőmérséklete ugyanolyan mértékben követné a változást. A laboratóriumban az anyag magas fajhője felfűtést fogja lelassítani, több idő kell, hogy a megfelelő hőmérsékletre felmelegedjen! Másodlagos hatás, hogy egyfajta hőtároló alakulhat ki, mivel a ferromágneses anyag a növekvő külső hőmérsékletet lassan követi, miközben rengeteg hőt nyel el.

χ– mágneses

szuszceptibilitás

Vajon mi történik az összegyűjtött hővel akkor, ha elkezd lassan csökkenni a külső hőmérséklet (pl. emelkedik a terület)? Geotermikus kályha a mágneses fázisátalakulás? 2010. november 24.


9


CONRAD-határfelület A Curie-mélység a gránit és a gabbró–bazalt öv határának mélysége — nem zárható ki a kapcsolat a Conrad-féle másodrangú határfelülettel. Ahol a gabbró–bazalt öv bázisos anyaga a geotermikus adottságok következtében a Curie-hőmérséklet tartományába kerül, megnövekedett mágneses anomáliát okozhat.

Curie-mélység

További ismeretek szükségesek a Conradféle határfelületnek és a Curie-mélység kapcsolatának tisztázásához, mivel a kritikus hőmérsékleten jelentős (kőzettani) változások tételezhetők fel.

2010. november 24.


10

5


A Curie-hőmérséklet mélysége… Mágneses anomáliák alapján Magyarországra a spektrális mélység-becsléssel meghatározott Curie-mélysége 18 km

….a mágneses anomália térkép alapján 2010. november 24.


11


Magnetotellurika I. Magnetotellurikus mérések: Hx, Hy, Hz, Ex és Ey komponensek mérése

Naptevékenység hatása

A magnetotellurikus mérések feldolgozása során feltételezzük, hogy a µr = 1 …. — ami általában és a felszínen igaz is. (kivételt jelentenek azok a felszíni ásványok, és kőzetek, amelyek sok ferromágneses anyagot tartalmaznak valamint a mágneses fázisátalakulás állapota, a nagyobb mélységekben )

Hz

2010. november 24.


12

6

ρa =

Z xy2

ωµ o µ a


Magnetotellurika II. Homogén féltér képletek: k — hullámszám

σ — elektromos vezetőképesség µ — mágneses permeabilitás

ds — skin mélység v — hullámterjedés sebessége Zxy — impedancia

Látszólagos ellenállás és permeabilitás:

2010. november 24.

A magnetotellurikus direkt és inverz feladat alapvető hiányosságként jelentkezik, hogy a képletek nem teljesen általános formában vannak felírva, mert a relatív mágneses permeabilitás értéke egyszerűsítés miatt kiesik a képletekből. Ez sokáig indokoltnak tűnt. Az olyan esetben, mint pl. a mágneses fázisátalakulás, ennek az egyszerűsítésnek nincs helye. Az alapképleteket sokkal általánosabb formában kell leírni ahhoz, hogy a mágneses permeabilitás hatását meg lehessen ítélni, ez viszont felvet néhány problémát! 1) A különböző paramétereken másképpen jelentkezik a mágneses permeabilitás hatása! 2) Az elektromos vezetőképesség és a mágneses permeabilitás nem választható szét egymástól! OTKA seregszemle 2010

13


Magnetotellurika III. Az egydimenziós magnetotellurikus modellezésekkel a hagyományos inverziós képletek alkalmazásával a rétegzett féltér esetén a mágneses permeabilitás hatását vizsgáltuk. Az elektromos paraméterei alapján homogén féltérbe egy vékony mágneses réteget helyeztünk el. Hagyományos feldolgozással a 100-szoros mágneses permeabilitás növekedés hatására az eredeti vastagság 100-szorosával rendelkező és az eredeti ellenállás 100-szorosára megnövekedett szondázási görbét (modellt) kaptunk vissza. Konklúzió: A mágneses permeabilitás hatása drasztikusan jelentkezik és egydimenziós esetben ellenállás növekedést okoz! 2010. november 24.


14

7


Magnetotellurika IV.

A magnetotellurikus E, H térkomponensek az impedancia és a hullámsebesség paramétereit is megadják. A direkt feladat megoldásakor felhasználhatjuk ezt az összefüggést. Rétegparaméterek: ρ1 = 1 Ωm ρ2 = 100 Ωm µ1 = 1 µ2 = 1

Kétréteges modell sebesség és impedancia görbéi különböző frekvenciákon a mélység függvényében ábrázolva — azonos lefutású görbéket adnak! 2010. november 24.

d1 = 1000 m


15


Magnetotellurika V.

A magnetotellurikus E, H térkomponensek az impedancia és a hullámsebesség paramétereit is megadják. A direkt feladat megoldásakor felhasználhatjuk ezt az összefüggést. Rétegparaméterek:

Kétréteges modell sebesség és impedancia görbéi különböző frekvenciákon a mélység függvényében ábrázolva — eltérő lefutású görbéket adnak! 2010. november 24.


ρ1 = 100 Ωm ρ2 = 100 Ωm µ1 = 1 µ2 = 100 d1 = 1000 m 16

8

Szerzők: Előzmények: OTKA-6875: MÁGNESES FÁZISÁTALAKULÁS A FÖLDKÉREGBEN ÉS GEOFIZIKAI KÖVETKEZMÉNYEI

Recommend Documents