Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Al. Mickiewicza 30 30-059 Kraków OCENA PRACY MAGISTERSKIEJ IMIĘ I NAZWISKO DYPLOMANTA: Michał Górka Nr albumu: 109611 KIERUNEK I SPECJALNOŚĆ: InŜynieria Środowiska, Geofizyka Środowiska JEDNOSTKA DYPLOMUJĄCA: Zakład Geofizyki TYTUŁ PRACY (wersja polska): Kompleksowa interpretacja pomiarów magnetycznych i elektrooporowych nad intruzjami diabazów w Miękini TYTUŁ PRACY (wersja angielska): Complex interpretation of magnetic and resistivity measurements above diabase intrusions in Miękinia PROMOTOR: dr hab. inŜ. Grzegorz Bojdys RECENZENT: prof. dr hab. inŜ. Teresa Grabowska Liczba: stron pracy: 71, rys.: 49, tabel: 1, pozycji literatury: 17 Załączniki (rodzaj i ilość): brak Ocena punktowa pracy magisterskiej RECENZENTA: ...........48..........................PROMOTORA: .............47......................... Łączna ocena punktowa recenzenta i promotora ..........95....................... Łączna ocena liczbowa i słowna:.............6,0 (celująca)............................. Skala ocen (wg regulaminu studiów AGH, rozdz. IV, par. 21, p. 1) Liczba punktów Ocena liczbowa i słowna 95 – 100....................6.0 (celująca) 81 – 94......................5.0 (bardzo dobra) 74 – 80......................4.5 (ponad dobra) 66 – 73......................4.0 (dobra) 58 – 65......................3.5 (ponad dostateczna) 50 – 57......................3.0 (dostateczna) <50............................2.0 (niedostateczna) ...prof. dr hab. inŜ. Marek Lemberger… Podpis przewodniczącego komisji Kraków, grudzień, 2006 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH STRESZCZENIE PRACY Diabaz miękiński jest permską skałą magmową, która została znaleziona przy jednej z dróg polnych od południowo-wschodniej i południowo-zachodniej strony kamieniołomu porfiru w Miękini. Pierwsi badacze uwaŜali jej czarną i brunatną odmianę za dwie róŜne skały, lecz obecnie przyjęło się, Ŝe melafir miękiński i diabaz miękiński to ta sama skała. Badania magnetyczne i geoelektryczne na tym obszarze potwierdzają obecność tej skały pomiędzy wychodniami w drogach. Na podstawie wyników inwersji geoelektrycznej programem Res2Dinv i inwersji magnetycznej Inter-m2D wywnioskowano, Ŝe strop diabazu występuje na głębokości (miejscami) od ok. 0.5 m, a głębokość spągu moŜe wynosić od 10 do 15 m. Z otrzymanych danych wynika, Ŝe skała jest w róŜnym stopniu zwietrzała. Charakterystyczne minimum anomalii magnetycznej występujące w środku kaŜdego profilu moŜe być związane z występowaniem przeszkody w równomiernym płynięciu potoku magmowego. Pomiar podatności magnetycznej próbek skały potwierdza jej zróŜnicowanie pod względem stopnia zwietrzenia oraz występowanie w odmianie czarnej magnetytu, a w brunatnej hematytu, gdyŜ ten pierwszy minerał ma silniejsze własności magnetyczne niŜ drugi. Słowa kluczowe diabaz, melafir, szoszonit, Miękinia, magnetometria, geoelektryka ABSTRACT Diabase of Miękinia is a Permian igneous rock which has been found on the one of the dirt roads from south-east and south-west side of the porphyry quarry in Miękinia. First scientists had considered its black and brown variety as two different kinds of rock but currently they accepted that the diabase of Miękinia and the melaphyre of Miękinia is the same rock. Magnetic and geoelectric measurements in this area confirm existence of this rock between the outcrops on the roads. On the basis of results of geoelectric inversion using Res2Dinv programme and magnetic inversion using inter-m2D programme it is concluded that a depth of the roof of the diabase is 0.5 metres (in some places) and a depth of the floor can be from 10 up to 15 metres. From calculated data it follows that the rock is weathered variously. The characteristic minimum of the magnetic anomaly located in the middle of each profile can be caused by obstacle in regular flowing of magma stream. Measurements of the magnetic susceptibility of the samples of the rock confirm its diversification with respect to degree of weathering. It also vindicates the occurrence of magnetite in black variety and hematite in brown variety because the first of these minerals is more magnetic (has got more intensive magnetic features) than the second. Key words diabase, melaphyre, shoshonite, Miekinia, magnetometry, geoelectricity 2 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Miejsce odbywania praktyki dyplomowej 1) Geofizyka Toruń Sp. z o.o. – Dział Geologii i Płytkich Badań Geofizycznych 2) Akademia Górniczo-Hutnicza – Zakład Geofizyki Program praktyki dyplomowej: 1. Zapoznanie z systemem pomiarowym LUND (Resistivity Imaging) firmy ABEM Instrument AB (Geofizyka Toruń Sp. z o.o.) 2. Wykonanie pomiarów metodą Resistivity Imaging na terenie przedsiębiorstwa Geofizyka Toruń Sp. z o.o. i opracowanie ich wyników. 3. Zapoznanie z magnetometrem ENVI-MAG firmy Scintrex Ltd. (AGH) 4. Wykonanie pomiarów magnetycznych nad intruzjami diabazów w Miękini (AGH). 5. Wykonanie pomiarów geoelektrycznych metodą Resistivity Imaging przy uŜyciu aparatury GEOMES-RR5 nad intruzjami diabazów w Miękini (AGH). 6. Opracowanie wyników pomiarów geoelektrycznych i magnetycznych w Miękini (AGH). OŚWIADCZENIE AUTORA PRACY Świadom odpowiedzialności prawnej oświadczam, Ŝe niniejsza praca dyplomowa została napisana przeze mnie samodzielnie i nie zawiera treści uzyskanych w sposób niezgodny z obowiązującymi przepisami. Oświadczam równieŜ, Ŝe przedstawiona praca nie była wcześniej przedmiotem procedur związanych z uzyskaniem tytułu zawodowego w wyŜszej uczelni i jest identyczna z załączoną wersją elektroniczną. Ponadto przyjmuję do wiadomości, Ŝe praca dyplomowa lub jej część moŜe być opublikowana jedynie po uzyskaniu pisemnej zgody promotora. ……13.12.2006…… ……..Michał Górka………… Data Podpis autora Jednostka dyplomująca (pieczęć i podpis kierownika) Kierownik Zakładu Geofizyki – prof. dr hab. inŜ. Jadwiga Jarzyna 3 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH FORMULARZ OCENY PUNKTOWEJ PRACY MAGISTERSKIEJ Ocena recenzenta Oceniany element pracy Ocena promotora Suma ocen I. ZAWARTOŚĆ MERYTORYCZNA [ 0 – 40 pkt] 1. Zgodność treści pracy z jej tytułem. [ 0 – 3 pkt] 2. Literatura (poprawność opracowania wykazu literatury, kompletność danych bibliograficznych, poprawność cytowań) [ 0 – 3 pkt] 3. Umiejętność sformułowania problemu badawczego i sposobu jego rozwiązania (samodzielność i inicjatywa badawcza, umiejętność opisu materiałów podstawowych i historii badań) [ 0 – 8 pkt] 4. Metodyka badań (dobór właściwych metod badawczych i umiejętność ich zastosowania) [ 0 – 8 pkt] 5. Dyskusja wyników badań i wnioski (logiczność wywodów, poprawność i krytyczna analiza wyników badań, znaczenie naukowe i praktyczne, w jakim stopniu uzyskane wyniki są własnością intelektualną magistranta) [ 0 – 15 pkt ] 6. Czy po dostosowaniu do wymogów redakcyjnych do publikacji nadaje się: cała praca [3 pkt], wybrane rozdziały [2 pkt], wybrane elementy pracy w formie komunikatu naukowego [1 pkt], brak moŜliwości [0 pkt] [ 0-3 pkt] 3 3 3 3 8 8 8 8 15 15 1 1 Zawartość merytoryczna łącznie (suma punktów w wierszach: 1-6) 38 38 76 II. STRONA EDYTORSKA [ 0 – 10 pkt] 1. Poprawność składniowa, staranność korekty tekstu. gramatyczna i ortograficzna [ 0 – 5 pkt] 2. Kompletność i poprawność rysunków, tabel i załączników [ 0 – 3 pkt] 3. Estetyka pracy [ 0 – 2 pkt] pracy, 5 4 3 3 2 2 Strona edytorska łącznie (suma punktów w wierszach: 1 – 3) 10 9 19 ŁĄCZNA OCENA PUNKTOWA PRACY (suma punktów części I i II) 48 47 95 Podpis recenzenta........Teresa Grabowska........................data .....13.12.2006............. Podpis promotora.........Grzegorz Bojdys..........................data .....13.12.2006............. 4 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH OCENA OPISOWA PRACY (obligatoryjna jedynie w przypadku ocen skrajnych: 2.0 i 6.0) (uzasadnienie wniosku o ewentualne wyróŜnienie pracy) RECENZENT Praca przedstawia wyniki badań geofizycznych (geoelektrycznych i magnetycznych), których celem było rozpoznanie intruzji diabazu (melafiru) w rejonie Miękini. W swoich badaniach magistrant szeroko nawiązuje do danych geologicznych jak równieŜ mineralogicznych. Laboratoryjnie określa własności magnetyczne dwóch odmian diabazu budujących intruzję. Zaprojektowane i wykonane przez magistranta profilowe pomiary polowe zarówno magnetyczne jak i umoŜliwiły mu szczegółowe rozpoznanie intruzji i konstrukcję jej spójnego modelu. Praca jest napisana poprawnie i zakończona dobrze udokumentowanymi wnioskami. Na podkreślenie zasługuje samodzielność dyplomanta i jego wyróŜniająca się inicjatywa badawcza. Z uwagi na walory naukowe i poznawcze pracy oceniam ją b. wysoko. Teresa Grabowska Podpis recenzenta PROMOTOR Temat pracy postawił Autorowi wysokie wymagania zarówno teoretyczne jak i metodyczne, jednak wywiązał się On z nich ponad oczekiwania promotora. Autor przećwiczył technikę pomiarów geoelektrycznych i magnetycznych na praktyce dyplomowej i bardzo dobrze przeprowadził pomiary terenowe. Równie dobrze wykonał wstępne ich opracowanie. Bardzo szczegółowo rozpoznał geologię badanego obszaru, co zapewniło poprawność geologicznych wniosków postawionych na podstawie wyników interpretacji ilościowej pomiarów magnetycznych i geoelektrycznych. Biorąc pod uwagę wieloznaczność interpretacji ilościowej w modelowaniu magnetycznym wykonał dwie wersje modeli i po logicznej analizie wskazał jedną jako bardziej prawdopodobną. Ponadto znakomicie przeprowadził kompleksową interpretację wyników dwóch metod geofizycznych, co było istotną częścią pracy. Jedyna uwaga krytyczna dotyczy faktu, Ŝe badania wykonano tylko na fragmencie, a nie na całym obszarze objętym anomalią magnetyczną związaną z wystąpieniami diabazów miękińskich w tym rejonie. Grzegorz Bojdys Podpis promotora 5 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Spis treści 1. Wstęp ...................................................................................................................................... 7 2. Lokalizacja obszaru badań...................................................................................................... 9 3. Budowa geologiczna badanego obszaru............................................................................... 11 4. Wyniki wcześniejszych badań geofizycznych ..................................................................... 15 5. Pomiary geoelektryczne ....................................................................................................... 17 5.1. Charakterystyka metody i podstawy fizyczne ...............................................................17 5.2. Metodyka pomiarów......................................................................................................19 5.3. Przetwarzanie danych ....................................................................................................22 5.3.1. Program komputerowy ...........................................................................................22 5.3.2. Wyniki pomiarów i inwersji ...................................................................................25 5.4. Interpretacja ...................................................................................................................27 6. Pomiary kappametryczne próbek diabazu............................................................................ 30 6.1. Podstawy fizyczne .........................................................................................................30 6.2. Metodyka pomiarów......................................................................................................32 6.3. Aparatura pomiarowa ....................................................................................................33 6.4. Wyniki pomiarów ..........................................................................................................36 7. Pomiary magnetyczne........................................................................................................... 38 7.1. Podstawy fizyczne .........................................................................................................38 7.2. Metodyka pomiarów......................................................................................................44 7.3. Aparatura pomiarowa ....................................................................................................45 7.4. Wyniki pomiarów ..........................................................................................................47 7.5. Przetwarzanie danych ....................................................................................................49 7.5.1. Program komputerowy ...........................................................................................49 7.5.2. Interpretacja geofizyczna przy uŜyciu programu komputerowego ........................52 8. Zestawienie wyników badań magnetycznych i geoelektrycznych i ich omówienie ............ 58 9. Wnioski (zakończenie) ......................................................................................................... 66 Literatura .................................................................................................................................. 69 Podziękowania.......................................................................................................................... 71 6 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 1. Wstęp W latach 50. XX w. w czasie prac geologicznych prowadzonych przez mgr Wiktora Zajączkowskiego w sąsiedztwie południowej granicy płyty porfirowej w Miękini, stwierdzono obecność silnie zwietrzałego melafiru. Heflik (1960) pisze, Ŝe znalezisko było zlokalizowane w szybiku koło Krzeszowic na głębokości 18 m, czyli poniŜej spągu porfiru miękińskiego. W trakcie dalszych poszukiwań przy jednej z dróg polnych prowadzących od strony południowo-wschodniej do kamieniołomu w Miękini natrafiono na odsłonięcie czarnej zasadowej skały magmowej (niebieska strzałka na fig. 2.1. i fig. 4.1.). Jak podaje Zajączkowski (1955, w: Heflik, 1960), wylewowi porfirowemu od południa towarzyszy wylew melafirowo-diabazowy. Wylewy porfiru i melafiru z diabazem miały miejsce po dolnym czerwonym spągowcu na zlepieniec myślachowicki, przy czym ten drugi wylał się wcześniej. Miękińskie skały melafirowo-diabazowe znane juŜ były róŜnym badaczom w XIX w. W latach 80. XX w. prof. Jacek Rutkowski (z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie) wskazał kolejne odsłonięcie (czerwona strzałka na fig. 2.1., fig. 3.1., fig. 4.1.) oraz podał informację, Ŝe te skały od tego miejsca rozciągają się w kierunku wschodnim. Heflik (1960) pisze, Ŝe diabaz z Miękini jest zbitą skałą zasadową, całkowicie pozbawioną porów i struktur gąbczastych. Barwa skały jest jednolita, ciemnoszara. Na jej tle moŜna obserwować białe i rdzawe punkty będące wynikiem wietrzenia, któremu w nieznacznym stopniu uległy skalenie, silniej zaś minerały femiczne. Po sproszkowaniu barwa skały jest jasnoszara. Część środkowa jest świeŜsza i lepiej zachowana – jest ciemniejsza – niŜ część zewnętrzna. Skała ma duŜą twardość i nieregularny przełam. Pod względem składu chemicznego przypomina ona diabaz z Niedźwiedziej Góry. Ten sam autor pisze dalej, Ŝe melafir z Miękini to skała barwy brunatno-czarnej z zielonkawymi plamkami równomiernie rozmieszczonymi w całej masie, które stanowią wypełnienia próŜni w kształcie pęcherzy, powstałych po odgazowaniu magmy podczas zastygania. Gąbczasta struktura, jak równieŜ silny stopień zwietrzenia spowodowały bardzo słabą zwięzłość, dzięki czemu skała łatwo rozsypuje się po lekkim uderzeniu. Na mokro melafir ma barwę czerwoną i wykazuje gliniasty charakter przy rozcieraniu. Po roztarciu skały na proszek, jej barwa jest ciemnobrunatna. W obrazie mikroskopowym widać zaznaczającą się strukturę fluidalną analogiczną do struktury diabazu. Heflik (1960), po sporządzeniu charakterystyki petrograficznej i przeprowadzeniu analizy geochemicznej omawianych skał, wnioskuje, Ŝe wszystkie melafiry w okręgu krzeszowickim są skałami diabazowymi o swoistej teksturze pęcherzykowatej melafirowej. Powstały one z magmy utlenionej rozlanej na powierzchni ziemi, o czym świadczy iddyngsyt powstały po 7 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH oliwinie. Diabaz miękiński jest środkową lub spągową, najświeŜszą i zbitą partią w obrębie zmienionej pokrywy melafiru. Melafir był szczególnie podatny na działanie roztworów dzięki porowatej i pęcherzykowatej strukturze. Czerny i Muszyński (1997) potwierdzają, Ŝe diabaz miękiński i melafir miękiński, to ta sama skała, która według klasyfikacji Międzynarodowej Unii Nauk Geologicznych IUGS (ang. International Union of Geological Sciences) nazwana została trachyandezytem bazaltowym (szoszonitem). Ci sami autorzy tłumaczą, Ŝe barwa tych skał zaleŜy od stopnia utlenienia oraz formy wiązania Ŝelaza w minerałach wtórnych. W brunatnej odmianie występują pospolite pseudomorfozy iddyngsytu (mieszaniny minerałów: chloryt, smektyty, goethyt) po oliwinie podczas, gdy szkliwo jest przemienione w montmorillonit zabarwiony tlenkami Ŝelaza. W czarnej odmianie oliwin jest zastąpiony bowlingitem, a szkliwo zielonym saponitem lub chlorytem. Taki skład minerałów wtórnych odzwierciedla działanie tlenu w trakcie końcowego stadium krystalizacji law melafirowych i ich początkowe autohydrotermalne przemiany pomagmowe. Zarówno zmienność barwy melafirów jak i zróŜnicowanie cech petrochemicznych mogły mieć wspólną przyczynę i moŜe być to wyjaśnione mieszaniem się magm diabazowej i lamprofirowej. Minerały magnetyczne barwy czarnej reprezentowane są głównie przez magnetyt FeO·Fe2O3 i ilmenit FeTiO3, a minerały barwy brunatnej – przez hematyt α-Fe2O3 i goethyt α-FeOOH (Czerny, 2006). Fig. 1.1. Diabaz z Miękini (fot.: Adam Waśniowski, 2006) (po lewej – odmiana czarna, po prawej: odmiana brunatna) Diabaz znaleziony m. in. przez Zajączkowskiego wzbudził zainteresowanie wielu badaczy, w tym studentów. W pierwszej połowie lat 90. XX w. były prowadzone praktyki studenckie z kartografii geologicznej pod opieką dr inŜ. Jerzego Czernego. W 1995 roku, pod opieką 8 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH dr hab. inŜ. Grzegorza Bojdysa, rozpoczęto coroczne pomiary geofizyczne (magnetyczne) na tym obszarze w ramach studenckich praktyk z metod geofizycznych, które trwają do dziś. Pole pomiarowe jest idealne do demonstracji metody magnetycznej. Pomiary wykonane podczas praktyki geofizycznej w 2004 roku skłoniły autora tej pracy do wykonania w następnym roku na tym obszarze badań geofizycznych z wykorzystaniem metody magnetycznej oraz metody geoelektrycznej Resistivity Imaging, które stały się przedmiotem tej pracy dyplomowej. Próbki dwóch odmian diabazu przedstawione na fig. 1.1., znalezione w odsłonięciu zaznaczonym czerwoną strzałką na fig. 2.1., fig. 3.1., fig. 4.1., zostały makroskopowo zweryfikowane przez dr inŜ. Jerzego Czernego (z Akademii GórniczoHutniczej w Krakowie). Celem pracy jest sprawdzenie, czy kompleksowa interpretacja pomiarów metodą magnetyczną i geoelektryczną da lepsze wyniki. 2. Lokalizacja obszaru badań Miękinia to wieś połoŜona w gminie Krzeszowice w powiecie krakowskim w województwie małopolskim. Sąsiaduje ona z Krzeszowicami od strony NW (północnozachodniej). Jej współrzędne geograficzne są następujące: N50°09'12,9'', E19°36'47,1'' (co odpowiada: N254221m, E543786m) (wg mapa.szukacz.pl, 2006). Miejsce badań w Miękini zlokalizowane jest ok. 700 m na południowy zachód od drogi głównej na wzniesieniu (przy sklepie spoŜywczym), co pokazuje mapa (fig. 2.1.). Kolorem niebieskim zaznaczono drogę prowadzącą do pola pomiarowego, a czerwonym – to pole. Pole pomiarowe, usytuowane na terenie nieuŜytków, zawiera 5 profili (-10, -5, 0, 5, 10) dla pomiarów magnetycznych oraz 3 profile (-5, 0, 5) dla pomiarów geoelektrycznych. Zorientowane są one w kierunku N-S (północ-południe). Z uwagi na ograniczenia obszaru badań od strony północnej przez hałdę po kopalni porfiru, nie udało się przedłuŜyć profili bliŜej tego obiektu. 9 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 0 100m droga do pola pomiarowego pole pomiarowe odsłonięcia diabazów miękińskich Fig. 2.1. Fragment mapy topograficznej rejonu badań (Główny Geodeta Kraju, 1997) 50 N 40 30 20 y [m] 10 0 -10 -20 -30 profile pomiarów magnetycznych -40 -50 -10 profile pomiarów Resistivity Imaging -5 0 5 10 x [m] Fig. 2.2. Zestawienie profili pomiarowych 10 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 3. Budowa geologiczna badanego obszaru Miękinia połoŜona jest na północnym skrzydle rowu krzeszowickiego. Generalnie rejon badań budują warstwy karbońskie nachylone na południowy-zachód pod kątem ok. kilkunastu stopni (1X°) (Czerny, 2006). Warstwy te wchodzą w skład tzw. serii miękińskiej, która tworzy antyklinę miękińską. Według Zajączkowskiego (1964) litologicznie seria ta dzieli się (od dołu) następująco: 1. Warstwy malinowickie: a) dolne: czarne mułowce i iłowce mikowe, łupkowate (iłowce dolne) o miąŜszości ok. 65 m – najwyŜszy wizen kulmowy (Cwi) b) piaskowce gruboziarniste, lokalnie z toczeńcami iłowców lub z wkładkami wapieni piaszczystych czarnych o miąŜszości ok. 3-6 m – pogranicze wizennamur (Cwi/n) c) górne: czarno-szare mułowce łupkowate, mikowe, ze szczątkami flory o miąŜszości ok. 310 m – dolny namur A (CnA) 2. Warstwy sarnowskie: piaskowce mikowe szare i Ŝółtawe, kruche, lokalnie ze spongiolitami o miąŜszości ok. 100 m – dolny namur A (CnA) 3. Warstwy florowskie dolne: iłowce ciemne z wkładkami piaskowców i warstwami węgla kamiennego o miąŜszości ok. 30 – 40 m – dolny namur A (CnA) PowyŜej tej serii – jak podaje Czerny (2006) – znajduje się strefa paleowietrzeniowa powstała na przełomie C3/P1 z wietrzenia niŜej połoŜonych warstw malinowickich, sarnowskich i florowskich. Jej miąŜszość (w północnej części przekroju – fig. 3.2.) moŜe wynosić od kilkunastu do trzydziestu kilku metrów. Tę strefę budują iły pąsowo-czerwone i fioletowoczerwone, drobnomikowe, z wkładkami piaskowców arkozowych czerwonawych i Ŝółtawych. Górna jej część jest czerwona, gdyŜ zawiera minerały, w których Ŝelazo jest na trzecim stopniu utlenienia Fe3+ (od góry: goethyt, hematyt), a dolna – szara lub czarna, bo zawiera minerały femiczne na drugim stopniu utlenienia Ŝelaza Fe2+ (np. magnetyt?). PowyŜej skał karbońskich występują permskie skały osadowe (zlepieniec myślachowicki) oraz magmowe (intruzje diabazu miękińskiego oraz porfiry). Diabaz ten wylał się w okresie post-tektoniczym (po fazie asturyjskiej) ze szczeliny poziomej powstałej ze złuskowania (Zajączkowski, 1964). Ten sam autor dalej informuje, Ŝe między fazą asturyjską i saalską zlepieniec myślachowicki oraz diabaz ulegały wietrzeniu. Nad zwietrzeliną w niektórych obszarach występują „potencjalne” zlepieńce w postaci brekcji wapieni wizeńskich. Nad tymi skałami obserwuje się teŜ tufy, lecz występują one tylko w niektórych miejscach. Utwory geologiczne w tym rejonie pocięte są licznymi uskokami. 11 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Na obszarze pomiarów geofizycznych (fig. 4.1. wzdłuŜ niebieskiej linii A-A) budowa geologiczna niewiele róŜni się od przedstawionej wyŜej, co uwidocznione jest na fig. 3.2. Dodatkowo, tuŜ przy powierzchni Ziemi obserwuje się lessy o miąŜszości od 0 do 2 m (miejscami nawet do 5 m) (Czerny, 2006). pole pomiarowe odsłonięcie diabazów/melafirów miękińskich diabazy/melafiry (wg Czernego, 2006 – w postaci nawiezionej) 0 500m Fig. 3.1.a. Mapa geologiczna rejonu Krzeszowic (Płonczyński, J., Łopusiński L.,1992) 12 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 13 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 3.1.b. Legenda do mapy geologicznej (fig. 3.1.a.) (Płonczyński, J., Łopusiński L., 1992) 14 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH SW NE 8 1X 7 P1 6 o ? 5 ? P1 4 ? P1 3 C3/P1 CnA 5 2 4 1 CnA/wi zwietrzelina ? porfir miekinski diabaz miekinski zlepieniec myslachowicki strefa paleowietrzeniowa warstwy sarnowskie warstwy malinowickie uskok Fig. 3.2. Poglądowy przekrój geologiczny wzdłuŜ linii A-A (fig. 4.1.) (wg Czernego, 2006) (przewyŜszenie pionowe ok. 4x) (1 – warstwy malinowickie, 2 – warstwy sarnowskie, 3 – strefa paleowietrzeniowa, 4 – zlepieniec myślachowicki, 5 – diabaz miękiński, 6 – zwietrzelina i gleba ewentualnie lessy, 7 – kamieniołom porfiru miękińskiego, 8 – hałda po kopalni profiru) 4. Wyniki wcześniejszych badań geofizycznych Jak juŜ wspomniano we wstępie, od 1995 roku prowadzone są coroczne pomiary magnetyczne na tym obszarze w ramach studenckich praktyk z metod geofizycznych. Wyniki oraz lokalizację tych pomiarów przedstawia mapa na fig. 4.1. 15 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 4.1. Mapa anomalii magnetycznej ∆T nad intruzjami diabazów w Miękini – pomiary wykonane w latach 1995/97/98 (Bojdys, 2005-2006) z naniesionym polem pomiarów wykonanych w roku 2005 Na przedstawionej powyŜej mapie (fig. 4.1.) widoczne są dodatnie anomalie magnetyczne (kolor czerwony), z których kaŜda większa generalnie rozciąga się z zachodu na wschód. Pochodzą one od skał posiadających własności magnetyczne takich, jak np. diabaz. Anomalia zaznaczona czerwoną strzałką związana jest z występującą tu wychodnią lub kominem wulkanicznym zbudowanych z omawianej skały. Około 50-100 m dalej na północ i północny wschód pojawiają się liniowe anomalie o rozciągłości W-E, które, jak uwaŜano do 2004 roku, są efektem dajek diabazowych (Bojdys, 2005-2006). Około 30-70 m dalej jest anomalia, której pochodzenie nie jest dokładnie określone. Po jej kształcie i wielkości moŜna sądzić, iŜ ciało ją wywołujące moŜe znajdować się na większej głębokości. Anomalie znajdujące się dalej na wschód mogą być związane z diabazami lub być innego pochodzenia. W miejscu zaznaczonym niebieską strzałką jest odsłonięcie diabazu miękińskiego. W wyniku wstępnej interpretacji tych danych z tego obszaru, Bojdys (2005-2006) otrzymał odpowiedź, Ŝe strop diabazów jest na minimalnej głębokości ok. 50-80 cm, a spąg maksymalnie na 22-23 m. 16 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 5. Pomiary geoelektryczne 5.1. Charakterystyka metody i podstawy fizyczne Metoda obrazowania elektrooporowego (Resistivity Imaging), zwana teŜ tomografią elektrooporową, jest kombinacją sondowań i profilowań elektrooporowych. Polega ona na tym, Ŝe układ pomiarowy o najmniejszym rozstawie jest przesuwany z odpowiednim krokiem profilowania od początku do końca załoŜonego profilu. Po powrocie na początek linii pomiarowej, rozstaw układu jest zwiększany, a następnie cały układ o tym rozstawie jest przesuwany z tym samym krokiem do końca profilu. Zwiększanie rozstawu układu pomiarowego wykonuje się do momentu osiągnięcia spodziewanej głębokości poszukiwanego obiektu. W rzeczywistości stosuje się zautomatyzowane pomiary, tzn. ustawia się elektrody w równych odstępach (jak na fig. 5.5.), które za pośrednictwem przewodu wieloŜyłowego połączone są z komutatorem elektrod (fig. 5.3., fig. 5.4.). Odpowiedni program w komputerze PC odpowiada za wybór właściwych elektrod w zaleŜności od rodzaju, pozycji i szacowanego zasięgu układu pomiarowego, co pokazane jest na fig. 5.1., fig. 5.2. oraz za obliczenie wartości oporności pozornej w danym punkcie pomiarowym zgodnie ze wzorem (5.1.). Fig. 5.1. Sekwencja pomiarów (układem Wennera-α) (Loke, 1999) (C1, C2 – elektrody prądowe, P1, P2 – elektrody potencjałowe, a – odległość pomiędzy elektrodami, n – poziom zasięgu układu pomiarowego odpowiadający n-krotności odstępu pomiędzy elektrodami) 17 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH a) b) c) d) e) f) g) h) Fig. 5.2. Układy pomiarowe stosowane w pomiarach geoelektrycznych metodą Resistivity Imaging wraz ze sposobem obliczenia współczynników geometrycznych (Loke, 1999) (C1, C2 – elektrody prądowe, P1, P2 – elektrody potencjałowe (pomiarowe), a – odległość pomiędzy elektrodami [m], k – współczynnik geometryczny układu [m], n – krotność odległości pomiędzy elektrodami) ZaleŜność (5.2.) przedstawia ogólny sposób obliczenia współczynnika geometrycznego dowolnego układu pomiarowego. a k I gdzie: ρa – oporność pozorna [Ohm*m] ∆V – róŜnica potencjałów (napięcie) mierzona pomiędzy elektrodami P1 i P2 [V] I – natęŜenie prądu elektrycznego płynącego w obwodzie zasilającym (C1, C2) [A] k – współczynnik geometryczny układu [m] 18 (5.1.) Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH k 1 C1 P1 1 C 1 P2 1 C 2 P1 1 C2 P 2 (5.2.) gdzie: CiPj – odległość pomiędzy i-tą elektrodą prądową i j-tą elektrodą potencjałową [m] NaleŜy pamiętać, Ŝe pomierzona oporność pozorna jest funkcją rozkładu oporności skał budujących ośrodek geologiczny (zaleŜy od budowy geologicznej), wielkości rozstawu, stopnia zailenia lub zawodnienia skał. W pomiarach elektrooporowych teoretycznie wykorzystuje się prąd stały. Aby uniknąć polaryzacji elektrod potencjałowych (na skutek kontaktu przewodnika elektronowego (metal) z jonowym (roztwór soli rozpuszczonych w wodzie zgromadzonej w skałach)), podczas pomiaru róŜnicy potencjałów stosuje się elektrody nie polaryzujące się lub korzysta się z prądu sinusoidalnie przemiennego o bardzo małej częstotliwości rzędu kilku herców. Szacowany zasięg dla układu Schlumbergera ocenia się na 1/10C1C2 - 1/5C1C2, a dla układu Wennera płycej. Jednak rzeczywista głębokość penetracji prądu elektrycznego zaleŜy od rodzaju układu pomiarowego, jego geometrii, budowy geologicznej ośrodka. 5.2. Metodyka pomiarów Dnia 20 września 2005 roku dokonano pomiarów geoelektrycznych metodą Resitivity Imaging przy uŜyciu aparatury GEOMES-RR5 (fig. 5.3., fig. 5.4., fig. 5.5.). Profile pomiarowe Resistivity Imaging usytuowano równolegle do profili magnetycznych (patrz rozdz. 7). Intruzje diabazowe mają rozciągłość w kierunku mniej więcej W-E (zachódwschód), dlatego profile zorientowane są w kierunku N-S. Pokrywają się one tylko z 3 profilami magnetycznymi -5, 0, 5 (fig. 2.2.), gdyŜ tylko na to pozwoliły warunki techniczne (długość przewodu generatora zasilającego aparaturę) i czas wykonania tych pomiarów. Długość kaŜdej linii pomiarowej wynosi 99 m. Pomiary wykonano układem Wennera-α (fig. 5.2.a). Zastosowano krok pomiarowy (odległość pomiędzy elektrodami) 1 m. Wartość współczynnika n (krotność odległości między elektrodami oraz poziom zasięgu układu – patrz fig. 5.1.) dobrano na podstawie wyników wcześniejszej interpretacji magnetycznej Bojdysa (2005-2006), z której wynika, Ŝe strop diabazów w tym obszarze moŜe znajdować się na minimalnej głębokości ok. 50-80 cm, a spąg maksymalnie na 22-23 m. ToteŜ wartości n wynoszą: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 11, 15, 20. Aby zbadać te doniesienia (patrz równieŜ rozdz. 4), autor tej pracy zdecydował się na wykonanie 19 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH pomiarów geoelektrycznych, których wyniki posłuŜą jako punkt odniesienia do interpretacji magnetycznej. Do sterowania aparaturą oraz rejestracji wyników pomiarów uŜyto programu komputerowego kosa98.exe, w którym podano wartości n oraz inne potrzebne parametry. Fig. 5.3. Aparatura do Resistivity Imaging (komutator elektrod) GEOMES-RR5 (fot.: Bogusława Gryboś, 2006) 20 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 5.4. Aparatura GEOMES-RR5 w terenie (fot.: Grzegorz Strózik, 2003) (1- komutator elektrod, 2 – laptop, 3 – przewody łączące komutator z poszczególnymi elektrodami) Fig. 5.5. Kosa pomiarowa (fot.: Grzegorz Strózik, 2003) 21 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 5.3. Przetwarzanie danych 5.3.1. Program komputerowy Program Res2Dinv (fig. 5.6., fig. 5.8.) malezyjskiej firmy Geotomo Software słuŜy do wykonania zadania odwrotnego, tj. inwersji. Proces ten polega na takim (tu automatycznym) dobraniu modelu geoelektrycznego (fig. 5.8.c), aby obliczony rozkład oporności pozornej (fig. 5.8.b) był jak najlepiej dopasowany do rozkładu oporności pozornej pomierzonej (fig. 5.8.a). Na samym początku trzeba wczytać dane polowe do programu. Do tego słuŜy opcja „File”, potem „Read data file”. Plik powinien mieć rozszerzenie *.dat i być w odpowiednio przygotowanym formacie. Przed rozpoczęciem inwersji naleŜy zweryfikować poprawność otrzymanych danych polowych. UŜywa się do tego m. in. opcji „Exterminate bad datum points”, co oznacza, Ŝe moŜna usunąć wartości punktów pomiarowych znacznie wykraczające ponad normę (medianę lub wartość średnią). Nie usunięcie tych danych moŜe powodować powstanie fałszywych anomalii na przekroju oporności pozornej pomierzonej (jak na fig. 5.7.a), a tym samym niepoprawny wynik inwersji. 22 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 5.6. Okienko informacyjne programu Res2Dinv Fig. 5.7. Jeden z etapów przetwarzania danych – usuwanie „złych” danych (Loke, 1999) 23 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Aby rozpocząć automatyczną inwersję, naleŜy wybrać opcję „Inversion”, a potem „Leastsquares inversion” (metoda najmniejszych kwadratów). Po wykonaniu tego procesu, zwykle wybiera się opcję „Display” oraz „Show inversion results”, aby móc zobaczyć wyniki inwersji w róŜnej ilości iteracji. Wersja demonstracyjna tego programu pozwala tylko na maksymalnie 3 iteracje, natomiast pełna nawet na 6. Wybór opcji „Change settings” przed inwersją pozwala m. in. na zmianę jej parametrów, dzięki czemu moŜna bardziej ukierunkować interpretowaną strukturę, np. w kierunku poziomym, gdy mamy do czynienia warstwą poziomą, czy płytą lub w kierunku pionowym, gdy jest to warstwa pionowa lub komin. Jeśli nie wiadomo dokładnie, jakiego obiektu moŜna się spodziewać, moŜna uŜyć parametrów domyślnych, tzn. po wczytaniu pliku z danymi od razu przystąpić do inwersji. Po wykonaniu tego procesu, na ekranie monitora pojawia się obraz jak na fig. 5.8. a) b) d) c) f) g) e) Fig. 5.8. Zrzut ekranu programu Res2Dinv do inwersji geoelektrycznej (a – przekrój oporności pozornej pomierzonej, b – przekrój oporności pozornej obliczonej na podstawie modelu c), c – model oporności rzeczywistej ośrodka, d – wskaźnik ilości iteracji wraz z błędem dopasowania przekroju obliczonego do rzeczywistego, e – wskaźnik postępu inwersji, f – skala oporności w [ohm*m], g – opcja do zatrzymania inwersji) Przekrój górny a) obrazuje uzyskane dane polowe (wartości pomierzonej oporności pozornej ośrodka odniesione do głębokości odpowiadającej połowie rozstawu). Opis głębokościowy 24 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH stanowi jedynie odniesienie do głębokości i nie naleŜy go kojarzyć z rzeczywistą głębokością ośrodka geologicznego. Przekrój dolny c) jest modelem rozkładu rzeczywistej oporności ośrodka geologicznego, tzn. rozkładu oporności w płaszczyźnie tego przekroju. Oporności te zostały uzyskane na drodze inwersji danych pomiarowych, a skala pionowa odpowiada rzeczywistej głębokości. Przekrój środkowy b) obrazuje teoretyczny rozkład danych polowych, obliczony dla uzyskanego w drodze inwersji modelu opornościowego ośrodka c). Ukazuje on teoretyczne dane polowe, jakie zostałyby zarejestrowane w terenie w przypadku, gdyby uzyskany model opornościowy był zgodny z rzeczywistym rozkładem oporności w badanym ośrodku. Podobieństwo przekrojów: górnego i środkowego (tj. danych polowych i teoretycznych) ukazuje poprawność uzyskanego modelu opornościowego ośrodka. Wyniki inwersji moŜna zapisać jako obraz *.bmp (w wersji demonstracyjnej programu) lub jako pliki *.dat oraz *.bln (w wersji pełnej) do bezpośredniego uŜycia w programie SURFER. 5.3.2. Wyniki pomiarów i inwersji Po przetworzeniu danych polowych na format wymagany w programie komputerowym Res2Dinv (o którym mowa w rozdziale 5.3.1.) i wczytaniu ich do tego programu oraz uruchomieniu procesu automatycznej inwersji, uzyskano obrazy przedstawione poniŜej. Otrzymano je jako efekt końcowy przetwarzania w demonstracyjnej wersji programu w 3 iteracjach. 25 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 5.9. Wyniki pomiarów geoelektrycznych metodą Resistivity Imaging i automatycznej inwersji na profilu -5 Fig. 5.10. Wyniki pomiarów geoelektrycznych metodą Resistivity Imaging i automatycznej inwersji na profilu 0 26 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 5.11. Wyniki pomiarów geoelektrycznych metodą Resistivity Imaging i automatycznej inwersji na profilu 5 5.4. Interpretacja Fig. 5.12. przedstawia zestawienie modeli geoelektrycznych otrzymanych w wyniku automatycznej inwersji geoelektrycznej. Zestaw ten przygotowano przy uŜyciu programu SURFER firmy Golden Software po wcześniejszym scyfrowaniu modeli geoelektrycznych w pełnej wersji programu Res2Dinv. W tej wersji programu równieŜ zastosowano 3 iteracje, gdyŜ uŜycie 5-ciu spowodowało „nadinterpretację” danych modelowych. W wyniku tego, interpretowana skała stała się miejscami zbyt „wygięta”, co raczej nie ma odzwierciedlenia w rzeczywistości. Oprócz tego miejscami pojawiły się dodatkowe maxima oporności, wcześniej nie istniejące. 27 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH S y [m] h [m] a) 0 10 20 30 40 50 N profil -5 60 70 80 90 100 0 -5 ρ [ohm*m] 370 -10 212 y [m] b) 0 0 10 20 30 40 50 171 profil 0 60 70 80 90 100 138 110 h [m] 89 72 -5 58 46 38 -10 31 y [m] c) 0 0 10 20 30 40 50 25 profil 5 60 70 80 90 100 20 16 h [m] 12 8 -5 5 2 -10 Fig. 5.12. Wyniki inwersji geoelektrycznej – zestawienie 3 profili Na podstawie otrzymanych wyników generalnie moŜna wyróŜnić 3 strefy oporności. Strefa pierwsza o najwyŜszych wartościach (powyŜej 75 Ohm*m) oporności występuje na głębokości od ok. 2 do 9-10 m, co odpowiada intruzji diabazu miękińskiego. Dzwinel (1972) podaje, Ŝe oporność elektryczna diabazu jest rzędu 103-105 Ohm*m. Dlaczego tu wartość tego parametru jest tak niska? Wynika to stąd, Ŝe skała ta moŜe być zwietrzała, popękana i zawodniona (w szczelinach moŜe znajdować się woda zmineralizowana, która obniŜa oporność skały). Otrzymanym wartościom oporności moŜna by przypisać inną skałę (np. piaskowiec miejscami zailony). Korzystając z informacji o obecności wychodni diabazu ok. 100 m na zachód od pola pomiarowego, moŜna wnioskować, Ŝe wartości ρ związane są z diabazem na tej głębokości (patrz teŜ fig. 3.2.). ZróŜnicowanie wartości oporności w tej strefie wynika ze stopnia zwietrzenia skały. Im bardziej zwietrzała, tym niŜsza wartość oporności. Tam, gdzie jest maximum oporności, moŜe występować czarna odmiana diabazu, zaś tam, gdzie ρ jest mniejsze – odmiana brunatna. Druga strefa charakteryzuje się pośrednimi wartościami ρ, tj. ok. 25-75 Ohm*m. MoŜe ona odpowiadać warstwie zwietrzeliny zarówno powyŜej, od strony północnej jak i poniŜej diabazu. Z fig. 3.2. oraz informacji z rozdz. 1 wynika, Ŝe diabaz wylał się na zlepieniec myślachowicki, toteŜ pod intruzją moŜe znajdować się ta skała. MoŜe ona być tak, jak diabaz, 28 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH zawodniona lub przeobraŜona w wyniku wylania się na nią gorącej magmy lub teŜ zwietrzała (patrz rozdz. 3), stąd niŜsze, jak dla zlepieńca, wartości oporności. Strefa trzecia to strefa niskich oporności poniŜej ok. 25 Ohm*m, która odpowiada wartości oporności skał ilasto-gliniastych. Występuje ona w północnej części kaŜdego profilu oraz poniŜej intruzji magmowej na głębokości większej od 10 m. Z fig. 3.2. wynika, Ŝe w tym miejscu są skały strefy paleowietrzeniowej powstałej ze zwietrzenia niŜej leŜących warstw, którą tworzą iły (patrz rozdz. 3). Miejscami wzdłuŜ profilu do głębokości ok. 2 m obserwuje się wzrost oporności od ok. 90 nawet do ok. 300 Ohm*m. Jest to oznaka, iŜ gleba w tym miejscu jest przesuszona. W rozdz. 3 wspomniano o lessach, które (jak informuje Czerny, 2006) występują na tym obszarze, dlatego wzrost oporności moŜe być związany z ich obecnością. Na profilu -5 między elektrodami 30. i 32. (między 30. i 32. metrem od początku linii pomiarowej), na 0 między 35. i 37. elektrodą oraz na 5 między 38. i 41. obserwuje się „zafalowanie”. Efekt ten jest związany z występującą w tym miejscu (w terenie) skarpą o róŜnicy wysokości ok. 1 m. Metoda geoelektryczna jest przystosowana do pomiarów na płaskiej powierzchni, a tu powierzchnia jest pochyła (kąt nachylenia ok. 10°) oraz występuje wspomniana skarpa. Ta niedogodność nie zniekształca zbyt bardzo modelu, ale moŜe w tym miejscu trochę zmylić interpretatora, jeśli ten nie był podczas pomiarów w terenie. 29 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 6. Pomiary kappametryczne próbek diabazu 6.1. Podstawy fizyczne Podatność magnetyczna objętościowa κ, która charakteryzuje zdolność substancji do magnesowania się J pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego H , jest wielkością bezwymiarową definiowaną jako: J H (6.1.) gdzie: J – namagnesowanie [A/m] (patrz rozdz. 7.1.) H – natęŜenie pola magnetycznego wywołującego to namagnesowanie [A/m] Oprócz podatności objętościowej uŜywa się teŜ pojęcia podatność magnetyczna masowa χ, która jest stosunkiem podatności objętościowej κ próbki do jej gęstości ρ. WyraŜa się ją w [m3/kg]. κ ρ χ= (6.2.) Podatność magnetyczna mierzona in situ (w miejscu występowania ciała), odpowiada podatności zwanej efektywną κe lub pozorną κa, określoną wzorem: Ji Jr e a H (6.3.) gdzie: Ji – namagnesowanie indukcyjne [A/m] Jr – namagnesowanie szczątkowe [A/m] H – natęŜenie ziemskiego pola magnetycznego działające na ciało [A/m] Drugim parametrem, który określa własności magnetyczne ciał, jest przenikalność magnetyczna µ. Bezwzględna przenikalność magnetyczna µ jest to stosunek wartości indukcji magnetycznej B do natęŜenia pola magnetycznego H : µ= B H Parametr ten wyraŜa się w H/m (henr/metr). 30 (6.4.) Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Obok przenikalności bezwzględnej istnieje przenikalność magnetyczna względna µr, która jest ilorazem przenikalności bezwzględnej µ i przenikalności magnetycznej próŜni µ0: µr = µ µ0 (6.5.) gdzie: µ0 = 4π·10-7 [H/m] Przenikalność względna jest bezwymiarowa. ZaleŜność między przenikalnością magnetyczną względną µr i podatnością magnetyczną κ (w układzie SI) wyraŜa się następującym równaniem: SI r 1 (6.6.) Aby wartość podatności magnetycznej w jednostkach układu CGS określić w jednostkach układu SI, naleŜy skorzystać z prostego przelicznika: SI CGS (6.7.) Ze względu na własności magnetyczne (wartość podatności i przenikalności magnetycznej), ciała dzielimy na: 1) diamagnetyki – κ < 0, µr < 1 2) paramagnetyki – κ > 0, µr > 1 3) ferromagnetyki – κ >> 0, µr >> 1 Diamagnetyzm polega na ekranowaniu zewnętrznego pola magnetycznego przez pole powstające w ośrodku na skutek indukcji. Molekuły diamagnetyka nie posiadają wypadkowego momentu magnetycznego. W zewnętrznym polu magnetycznym w wyniku precesji powstaje dodatkowy orbitalny moment magnetyczny elektronów skierowany przeciwnie do przyłoŜonego pola. Wartości podatności magnetycznej są rzędu -10-5 (Mortimer, 2001) i nie zaleŜą od temperatury. Przedstawicielami metali tej grupy są m.in.: Bi, CuI, Hg, Zn, Au, Cd, Pb, Sb, Ca, zaś minerałów są m.in.: diament, grafit, kwarc, ortoklaz, kalcyt, anhydryt, gips, apatyt, halit, baryt, fluoryt, korund, topaz, a takŜe woda i związki organiczne. Diamagnetyki są praktycznie obojętne magnetycznie, nie wywołują zakłóceń pola magnetycznego. Paramagnetyki to ciała, w których atomy posiadają róŜne od zera wypadkowe momenty magnetyczne. W nieobecności pola zewnętrznego momenty magnetyczne są skierowane przypadkowo, dopiero obecność tego pola powoduje ich orientację wzdłuŜ jego kierunku. 31 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH -4 Podatność magnetyczna paramagnetyków jest rzędu 10 (Mortimer, 2001). Do tej grupy ciał naleŜą np.: Mg, Mo, Mn, Pd, Cr, CuII, metale alkaliczne, lantanowce, ich tlenki i siarczki. WaŜniejszymi minerałami są: miki (biotyt, muskowit), goethyt, piryt, syderyt, ilmenit, dolomit, magnezyt, malachit, chalkopiryt, piroluzyt, wolframit, braunit, augit, monacyt, talk, spinel, epidot, ankeryt. Ferromagnetyki wykazują namagnesowanie samoistne. Składają się z domen, czyli obszarów spontanicznego namagnesowania. W obrębie domeny wszystkie spiny ustawione są równolegle tak, Ŝe wypadkowe namagnesowanie kaŜdej domeny posiada wartość maksymalną. W temperaturze Curie i po jej przekroczeniu, namagnesowanie samorzutnie spada do zera – zanika struktura domenowa i ferromagnetyk staje się paramagnetykiem. Istnienie pozostałości magnetycznej Jr (namagnesowania szczątkowego) charakteryzuje tę grupę ciał. Wartość podatności magnetycznej jest rzędu 104-105 (Mortimer, 2001). Ferromagnetyki „sensu stricte” (w ścisłym tego słowa znaczeniu), to metale grupy przejściowej: Fe, Co, Ni oraz Gd (<17°C). Do ferromagnetyków naleŜą teŜ ferrimagnetyki (np. Fe3O4 – magnetyt, Fe7S8 - pirotyn) oraz antyferromagnetyki (FeO, FeCO3, CoO, NiO, hematyt Fe2O3). 6.2. Metodyka pomiarów 2 sierpnia 2006 w Pracowni Geofizyki ZłoŜowej Zakładu Geofizyki AGH wykonano pomiary podatności magnetycznej dwóch próbek diabazu (fig. 6.1.) przy uŜyciu aparatury MS2 firmy Bartington. Przyrząd pomiarowy ustawiono w takim miejscu, aby oddziaływania zewnętrznych pól elektrycznych, magnetycznych i elektromagnetycznych pochodzących od urządzeń elektrycznych lub przedmiotów metalowych były jak najmniejsze. Przygotowane wcześniej próbki diabazu w kształcie sześcianów o boku 1 cala (25.4 mm) i 7/8 cala (23 mm), wkładano do uchwytu czujnika MS2B (fig. 6.4. – 2). Na kaŜdej próbce wykonano 5 pomiarów w jednej pozycji, których wartości uśrednione przedstawiono w tabeli 6.1. W ramach eksperymentu, próbkę brunatną poddano pomiarom w kaŜdym ułoŜeniu, aby sprawdzić, czy istnieje anizotropia podatności, dlatego wartość podatności w tabeli jest średnią arytmetyczną z tej serii pomiarów. 32 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 6.1. Próbki diabazów z Miękini przygotowane do pomiarów podatności magnetycznej (fot.: Adam Waśniowski, 2006) 6.3. Aparatura pomiarowa Do pomiarów podatności magnetycznej stosowane są 2 typy przyrządów wykorzystujących prąd zmienny. Są to przyrządy zawierające obwody mostkowe (kappabridge) oraz obwody zawierające cewki indukcyjne (kappametry). System pomiarowy MS2 brytyjskiej firmy Bartington, pokazany na fig. 6.2., jest kappametrem. Podatność magnetyczną próbek pomierzono w warunkach laboratoryjnych przy uŜyciu urządzenia pomiarowego (fig. 6.3.) z czujnikiem do badań laboratoryjnych MS2B (fig. 6.4.), dlatego opis aparatury pomiarowej będzie się odnosił tylko do tych dwóch elementów systemu. 33 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 4 3 6 2 1 5 Fig. 6.2. System pomiarowy Magnetic Susceptibility MS2 firmy Bartington (Bartington, 2004) (1 – miernik podatności magnetycznej, 2 – czujnik do badań laboratoryjnych MS2B, 3 – uchwyt do pomiarów terenowych z miernikiem, 4 – czujnik do badań terenowych MS2F, 5 – czujnik (pętla) do badań terenowych MS2D, 6 – czujnik do pomiarów podatności magnetycznej rdzeni wiertniczych MS2C) Urządzenie pomiarowe (fig. 6.3.) wyposaŜone jest w przełączniki, przyciski, wyświetlacz cyfrowy oraz gniazdo zasilające wewnętrzną baterię akumulatorów i gniazdo komunikacyjne z czujnikiem. Przełącznik (1) umoŜliwia załączenie i wyłączenie urządzenia oraz zmianę jednostek układu SI/CGS. Przełącznik (2) pozwala sprawdzić stan baterii oraz wybrać zakres pomiarowy i jednocześnie dokładność pomiaru 0.1 lub 1.0. Po naciśnięciu przycisku „M” (5), na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym LCD (4) ukazują się wartości podatności magnetycznej objętościowej, w zaleŜności od pozycji przełącznika (2), w jednostkach SI lub CGS. Przycisk „Z” (6) pozwala wyzerować przyrząd. Za pomocą przełącznika dwustabilnego (7) moŜna skonfigurować miernik tak, aby wykonywał pomiary po kaŜdorazowym naciśnięciu przycisku „M” albo wykonywał pomiar „ciągły” (serię pomiarów). Miernik połączony jest z czujnikiem za pomocą przewodu koncentrycznego z końcówkami typu TNC. Aby to zapewnić, zarówno przyrząd pomiarowy, jak i sensor muszą być wyposaŜone w gniazda typu TNC (3) jak na fig. 6.3. oraz (3) na fig. 6.4. Do wygodnej obsługi miernika bardzo przydatna jest podstawka (8). 34 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 5 6 1 2 4 7 3 8 Fig. 6.3. Miernik podatności magnetycznej (Bartington, 2004) 1 2 4 3 5 Fig. 6.4. Czujnik pomiarowy MS2B (Bartington, 2004) Czujnik pomiarowy (fig. 6.4.) posiada rączkę (1), za pomocą której, umieszczoną w uchwycie (2), próbkę (5) wprowadza się do wnętrza sensora. Przełącznik (4) umoŜliwia wybór częstotliwości prądu zasilającego cewkę indukcyjną: niska LF (0.465 kHz) i wysoka HF (4.65 35 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH kHz). RóŜnica wyników pomiarów dla poszczególnych wartości częstotliwości wskazuje na obecność i ilość minerałów superparamagnetycznych. Opcję LF stosuje się do zwykłych pomiarów podatności. Sensor zaprojektowany jest tak, Ŝe wymiary próbek powinny być dobrane w zaleŜności od ich kształtu. Kostka sześcienna powinna być o boku 1 cala (25.4 mm) lub 7/8 cala (23 mm), rdzeń cylindryczny mieć średnicę 1 cala, buteleczka cylindryczna objętość 10 i 20 cm3 (ml). Przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów, przyrząd naleŜy skalibrować, uŜywając do tego próbki kalibracyjnej. Pomiary wykonuje się według określonego schematu. Najpierw odczytuje się wartość z wyświetlacza LCD dla powietrza κpow1, potem dla konkretnej próbki κpr i na końcu znów dla powietrza κpow2. Obliczona według wzoru (6.8.) liczba jest wartością podatności magnetycznej κ badanej próbki. pow1 pr pow2 2 (6.8.) Gdy odczyt dla powietrza jest bardzo bliski 0, wówczas nie ma konieczności korzystania z powyŜszej procedury. Po wykonaniu serii pomiarów istnieje moŜliwość eksportowania danych do komputera osobistego PC w celu dalszej interpretacji. Zakres pomiarowy MS2 wynosi 1-9999 · 10-5 [SI] (· 10-6 [CGS]), a dokładność pomiarów – 2 · 10-6 [SI] (· 10-7 [CGS]) na zakresie 0.1. Przyrząd musi znajdować się w tzw. „spokojnym otoczeniu”, z dala od przedmiotów metalowych, śrub, gwoździ, rur, kabli, transformatorów, urządzeń i maszyn elektrycznych, urządzeń powodujących wibracje. Gdy jednak znalezienie „spokojnego otoczenia” jest trudne lub niemoŜliwe, wówczas pomiary powinny być przeprowadzone w specjalnym pomieszczeniu – klatce Faradaya. Temperatura pomieszczenia, w której umieszczony jest przyrząd, powinna być raczej niska i stała. Powinien on być chroniony przed promieniami słonecznymi. 6.4. Wyniki pomiarów W tabeli 6.1. przedstawiono wyniki pomiarów podatności magnetycznej objętościowej w jednostkach układu CGS, przeliczonych na wartości w jednostkach SI oraz odpowiadające tym wartościom namagnesowanie, które posłuŜy do modelowania magnetycznego. 36 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Tabela 6.1. Diabaz κ [CGS] · 10-6 κ [SI] · 10-5 J [A/m] Odmiana brunatna 995.5 1250.98 0.5 Odmiana czarna 3156.4 3966.45 1.6 Jak wspomniano w rozdz. 6.2., podane w tabeli liczby są wartościami średnimi. W literaturze przedział wartości podatności „zdrowej” skały wynosi 1000-10000 · 10-6 [CGS] (Dzwinel, 1972), toteŜ moŜna uznać, Ŝe wartości κ [CGS] z tabeli 6.1. mieszczą się w podanym przedziale. Niewielka róŜnica między κ diabazu brunatnego a najmniejszą wartością przedziału, jest do zaniedbania. Podatność odmiany czarnej diabazu jest 3-krotnie większa niŜ brunatnej. Heflik (1960) podaje, Ŝe czarna skała ma 7.15 % wag. FeO i 3.75 % wag. Fe2O3, a brunatna – 1.05 % wag. FeO i 9.76 % wag. Fe2O3. Minerały magnetyczne barwy czarnej reprezentowane są głównie przez magnetyt FeO·Fe2O3 i ilmenit FeTiO3, a minerały barwy brunatnej zawierają hematyt α-Fe2O3 i goethyt α-FeOOH (Czerny, 2006). Pomiar podatności magnetycznej potwierdził, Ŝe diabaz czarny ma więcej minerałów zawierających Ŝelazo na drugim stopniu utlenienia, a brunatny – więcej minerałów na trzecim stopniu utlenienia Fe3+. Jeśli rzeczywiście brunatna odmiana diabazu jest bardziej zwietrzała niŜ czarna, to moŜna uznać, Ŝe pomiar podatności potwierdza to. Podana w tabeli wartość namagnesowania dla poszczególnych próbek została obliczona w następujący sposób: 1) dla próbki brunatnej: J = 995.5 · 10-6 [CGS] · 0.5 [Oe] = 497.75 · 10-6 [Oe] = 49.775 · 10-5 [Oe] = 49.775 [γ] = = 49.775 [nT] = 0.49775 [A/m] ≈ 0.5 [A/m] 2) dla próbki czarnej: J = 3156.4 · 10-6 [CGS] · 0.5 [Oe] = 1578.2 · 10-6 [Oe] = 157.82 · 10-5 [Oe] = 157.82 [γ] = = 157.82 [nT] = 1.5782 [A/m] ≈ 1.6 [A/m] W obliczeniach wartość 0.5 Oe jest wartością natęŜenia obecnego ziemskiego pola magnetycznego wyraŜona w erstedach, przy czym 1 Oe = 105 γ. W próŜni i powietrzu natęŜeniu pola magnetycznego równym 1 γ odpowiada indukcja 1 nT. 37 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 7. Pomiary magnetyczne Istotą metody magnetycznej jest pomiar modułu całkowitego wektora indukcji magnetycznej i wyznaczenie anomalii magnetycznych ∆T, posiadających związek z własnościami magnetycznymi skał budujących skorupę ziemską. 7.1. Podstawy fizyczne Do opisu pola magnetycznego stosowane są dwie wielkości: indukcja i natęŜenie pola. Indukcja magnetyczna B jest podstawową wielkością charakteryzującą pole magnetyczne. Jej jednostką według układu SI jest 1 tesla (T). Pole ziemskie jest na tyle słabe, Ŝe wartość jego indukcji i jej zmiany podaje się w nanoteslach – 1 nT = 10-9 T. Jednostką natęŜenia pola magnetycznego T według układu SI jest amper na metr (A/m). Dawniej posługiwano się jednostkami: Oe (ersted) oraz gamma γ, przy czym: 1 Oe = (4π)-1 · 103 A/m oraz 1 γ = 10-5 Oe. W próŜni i powietrzu natęŜenie pola wyraŜone w γ jest liczbowo równe indukcji magnetycznej wyraŜonej w nT, np. gdy wartość pola ziemskiego wynosi 50 000 γ to oznacza, Ŝe wartość indukcji pola B = 50 000 nT i natęŜenie pola równe 50 000 γ. Współczynnikiem proporcjonalności w ośrodkach izotropowych jest przenikalność magnetyczna µ (patrz rozdz. 6.1.). B T (7.2.) Obecnie wartość pola T wyraŜa się w jednostkach indukcji magnetycznej. W prostokątnym, prawoskrętnym układzie współrzędnych (gdzie oś x skierowana jest w kierunku północy geograficznej, oś y w kierunku wschodnim, a oś z pionowo), rzut wektora pola magnetycznego T na płaszczyznę poziomą xy jest składową poziomą H pola, na oś 0X – składową północną X , na oś 0Y – składową wschodnią Y . Płaszczyzna pionowa, w której leŜy wektor T nazywa się płaszczyzną południka magnetycznego. Kąt dwuścienny między płaszczyzną południka geograficznego i magnetycznego (kąt między składową X i H ) to deklinacja magnetyczna D. Kąt, jaki tworzy kierunek wektora T ze składową poziomą, nosi nazwę inklinacji I. Deklinacja wschodnia ma wartość dodatnią. Inklinacja jest dodatnia, gdy wektor T jest skierowany w dół ku powierzchni Ziemi (na półkuli północnej). Rozkład wektora indukcji pola geomagnetycznego na składowe przedstawia fig. 7.1. PrzybliŜone średnie roczne wartości elementów geomagnetycznych w Polsce wynoszą: D = 2-3°, I = 67° (w okolicach Krakowa: I = 63°), T = 50 000 nT. 38 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH N x polnoc magnetyczna X D H 0 I y Y E T Z z Fig. 7.1. Struktura ziemskiego pola magnetycznego względem kierunków świata Gdy układ współrzędnych zostanie tak zorientowany, Ŝe płaszczyzna xz będzie pokrywać się z płaszczyzną profilu pomiarowego, wówczas struktura pola magnetycznego wygląda jak na fig. 7.2.a. Wektor X jest składową pola wzdłuŜ profilu pomiarowego, wektor Y prostopadłą do X , a Z składową pionową. Rzut wektora natęŜenia pola magnetycznego na płaszczyznę xz jest składową pola w płaszczyźnie profilu T xz . Kąt zawarty między składową H i T jest inklinacją I, a kąt φ0 jest inklinacją w płaszczyźnie profilu. Miarą orientacji profilu względem północy magnetycznej jest wartość kąta azymutu profilu A0. 39 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH y a) 0 polnoc magnetyczna H Y φ X 0 x o T Z Jxy Jy Ao I y b) A i β Jx J Jz Txz x Jxz z z Fig. 7.2. Porównanie struktury: a) ziemskiego pola magnetycznego i b) namagnesowania względem płaszczyzny profilu pomiarowego xz Pole magnetyczne, które jest mierzone na powierzchni Ziemi, jest sumą wektorową kilku jego składowych o róŜnych źródłach: - pola dipola magnetycznego T dip , - pola kontynentalnego T k , wytworzonego przez niejednorodności głębokich warstw Ziemi, - pola anomalnego T a , wywołanego własnościami magnetycznymi zewnętrznych warstw skorupy - pola stacjonarnego pochodzenia zewnętrznego T z - pola wariacji, tj. zmiennego w czasie pola pochodzenia zewnętrznego - pola pływów. T T dip T k T z T a 40 (7.3.) Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Pole dipolowe i pole anomalii kontynentalnych jest zwane polem głównym T g i związane jest z budową wgłębną Ziemi. T g T dip T k (7.4.) Pole normalne (odniesienia, jednorodnie namagnesowanej kuli) T n jest sumą wektorową pola dipola magnetycznego, pola anomalii kontynentalnych i pola stacjonarnego pochodzenia zewnętrznego. T n T dip T k T z (7.5.) Ziemia nie wykazuje idealnej jednorodności magnetycznej, dlatego pomiędzy polem jednorodnie namagnesowanej kuli, a polem pomierzonym mogą występować róŜnice, zwane anomaliami. Anomalie regionalne związane są z geologicznymi strukturami regionalnymi. W Europie do tego typu anomalią jest np. anomalia kurska (na południe od Moskwy). Anomalie magnetyczne lokalne obserwuje się zwykle nad lokalnymi, magnetycznie czynnymi strukturami geologicznymi, złoŜami Ŝelaza. W Polsce jest to np. anomalia magnetyczna związana z występowaniem dajek andezytowych w Pieninach. Źródłem anomalii mogą być takŜe sztuczne obiekty (znajdujące się na lub pod powierzchnią Ziemi), zawierające elementy ferromagnetyczne. Pole obserwowane pomniejszone o zmienne pole pochodzenia zewnętrznego i pole normalne jest polem anomalnym T a . Ta T Tn (7.6.) Do zlokalizowania zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego wykonuje się na profilach pomiary modułu wektora indukcji magnetycznej Tpom, a następnie odnosi się je do pomiarów wykonanych na bazie Tbaz mierzonych synchronicznie (w tym samym czasie), zgodnie ze wzorem (7.7.) oraz fig. 7.4. Baza powinna być zlokalizowana w pobliŜu badanego obszaru, ale poza strefą przypuszczalnego oddziaływania pola anomalnego. T a T pom T baz (7.7.) Z praktyki wiadomo, Ŝe dla obszaru promieniu 30 km, pole normalne jest stałe, zatem po odjęciu (7.9.) od (7.8.) otrzymuje się zaleŜność (7.7.). T pom T n T a (7.8.) T baz T n (7.9.) Pole, opisane wzorem (7.6.), powstaje w efekcie namagnesowania ośrodka zewnętrznym polem magnetycznym. Aby anomalie miały wartości większe, skała powinna mieć większą podatność magnetyczną (patrz rozdz. 6.1.), a tym samym większą wartość namagnesowania. 41 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Namagnesowanie J to zdolność ośrodka do tworzenia własnego pola magnetycznego. Jest to pole słabe w stosunku do pola magnetycznego Ziemi. Namagnesowanie skał składa się z namagnesowania indukcyjnego J i i namagnesowania szczątkowego J r , co przedstawia wzór (7.10.). Namagnesowanie indukcyjne to namagnesowanie obecnym ziemskim polem magnetycznym – istnieje tak długo, jak istnieje pole magnesujące. Obecność pozostałości magnetycznej J r wskazuje, Ŝe skała mająca własności ferromagnetyczne znajdowała się juŜ w przeszłości pod działaniem stałego pola magnetycznego, które utrwaliło się w niej w postaci naturalnej pozostałości magnetycznej NRM. Składowymi NRM są: termiczna pozostałość magnetyczna TRM, detrytyczna DRM, chemiczna CRM. J Ji Jr (7.10.) Struktura namagnesowania, przedstawiona na fig. 7.2.b, jest analogiczna do struktury pola magnetycznego (fig. 7.2.a). Szczególną uwagę naleŜy zwrócić na azymut profilu A0, azymut namagnesowania A oraz kąt namagnesowania β, który jest kątem od strony kierunku wykonywania pomiarów. Jeśli azymut profilu jest równy 0° (kierunek wykonywania pomiarów i zwrot osi pomiarowej w kierunku północnym), wówczas kąt namagnesowania jest kątem jak na fig. 7.3.a, a jeśli A0=180°, to według fig. 7.3.b. a) S b) A 0= 0 o β N S A0= 180 x x β o N J J Fig. 7.3. Kąt namagnesowania β w zaleŜności od azymutu profilu Gdy przyjmie się namagnesowanie indukcyjne J J i przy azymucie profilu A0 = 0°, wówczas A = 0°, β = i = φ0 = I = 63°. Zmiany pola magnetycznego w czasie dzielą się na spokojne (periodyczne) i zaburzone (aperiodyczne). W skład tych pierwszych wchodzą zmiany dobowe (okres 24 h, amplituda 60 nT), zmiany księŜycowe (bardzo małe), zmiany roczne (brane pod uwagę w badaniach kilkuletnich), zmiany wiekowe (okres ok. 600 lat, niejednakowe na całej kuli ziemskiej, amplituda nawet 100 nT/rok). Wariacje aperiodyczne dzielą się na burze magnetyczne (związane z działalnością Słońca, amplituda nawet kilka tysięcy nT w czasie 1 s), burze 42 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH zatokowe (amplituda >20 nT), zaburzenia magnetyczne, zaburzenia homogeniczne (przemysł, trakcja elektryczna, linie elektroenergetyczne). Zadania w geofizyce dzielą się na proste i odwrotne. Zadanie proste polega na obliczeniu rozkładu pola magnetycznego nad zadanym ciałem (modelowanie – zawsze jednoznaczne). Zadanie odwrotne (inwersja, interpretacja geofizyczna) polega na obliczeniu parametrów źródła anomalii na podstawie rozkładu pola magnetycznego. Zadanie odwrotne jest wieloznaczne, tzn. Ŝe ciała o róŜnych parametrach mogą dawać taki sam rozkład pola. Interpretacja dzieli się na jakościową i ilościową. Interpretacja jakościowa polega m. in. na opisie mapy anomalii magnetycznych. Określa się kontury ciał generujących anomalie, szacuje się porównawczo ich parametry, określa się tektonikę obszaru badań. Ciała namagnesowane występujące pod powierzchnią mogą być zlokalizowane dzięki takiej mapie. Zamknięte izometryczne izolinie mogą wskazywać na ograniczenie ciała w poziomie, przy czym wartości anomalii mogą rosnąć lub maleć w kierunku jej centrum. WydłuŜenie izolinii w jakimś kierunku moŜe wskazywać kierunek rozciągłości ciała zaburzającego o kontrastowych, w stosunku do otoczenia, własnościach magnetycznych. Wysoki poziomy gradient anomalii jest często związany z kontaktami skał o róŜnych wartościach podatności magnetycznej lub ich namagnesowania. Zazwyczaj duŜy gradient jest związany z kontaktami występującymi na niewielkich głębokościach, a mały z kontaktami głębiej zalegającymi. WaŜną rolą interpretacji jakościowej jest podział anomalii na regionalne (na duŜym obszarze) i lokalne (na obszarze mniejszym). Do metod tej interpretacji zalicza się: transformacje pola w dolną oraz w górną półprzestrzeń (przetwarzanie obrazu pola tak, jak gdyby pole rejestrowane było odpowiednio poniŜej lub powyŜej powierzchni Ziemi), uśrednianie (mapy regionalne i rezydualne), metoda pochodnych, filtracje i inne. Interpretacja ilościowa to określenie liczbowo wartości parametrów geometrycznych i fizycznych ciał generujących anomalie. Stosowane metody dzielą się na: pośrednie (modelowanie) i bezpośrednie (metody punktów charakterystycznych – dla pojedynczych struktur), metody doboru (albumy krzywych). Modelowanie efektu magnetycznego ma na celu rozwiązanie zadania odwrotnego poprzez rozwiązanie zadania prostego. Polega ono na stworzeniu brył i nadaniu im parametrów. Obserwuje się efekt i porównuje się go z krzywą lub mapą krzywych pomiarowych. Następnie poprawia się obliczone dane, aby krzywa syntetyczna i pomiarowa pokrywały się lub były zbliŜone do siebie z dopuszczalnym błędem. Obecnie stosuje się coraz częściej modelowanie przy uŜyciu odpowiednich programów komputerowych, jak np. Inter-m2D (patrz rozdz. 7.5.1.). Proces ten realizuje się w wersji dwuwymiarowej 2D (na profilu) lub trójwymiarowej 3D (przestrzennie). Ciało 2D, to ciało, 43 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH którego (praktycznie) dłuŜsza oś powinna 5-krotnie przewyŜszać oś krótszą (np. poziomy cylinder, rów tektoniczny, uskoki, kontakty skał o róŜnych własnościach magnetycznych, pionowe lub nachylone warstwy cienkie i duŜej miąŜszości). Ciałem 3D jest obiekt izometryczny, np. kula, złoŜe w postaci konkrecji. 7.2. Metodyka pomiarów Dnia 19 września 2005 roku w Miękini dokonano pomiarów metodą magnetyczną przy uŜyciu magnetometru ENVI-MAG kanadyjskiej firmy Scintrex Ltd. Profile pomiarowe zorientowano zgodnie z ogólną zasadą – prostopadle do rozciągłości struktur – na podstawie profili pomiarowych z lat ubiegłych. Intruzje diabazowe mają rozciągłość w kierunku mniej więcej W-E (zachód-wschód), dlatego profile zorientowane są w kierunku N-S (północ magnetyczna-południe magnetyczne). Z uwagi na duŜy obszar badań (fig. 4.1.), wybrano mniejsze pole pomiarowe, by skupić się na załoŜonym we wstępie celu. Pomiary anomalii magnetycznej wykonano na 5 profilach (-10, -5, 0, 5, 10), zgodnie ze schematem na fig. 2.2. Profile te oddalone są od siebie o 5 m kaŜdy. Przyjęto krok pomiarowy równy 1 m. Pomiary wykonywano z północy na południe, przy czym wartości współrzędnej y (wzdłuŜ kaŜdego profilu) zmniejszała się w kierunku południowym, co jest równoznaczne z wykonywaniem pomiarów w kierunku północnym ze wzrostem y (azymut profilu A0 = 0°). Długość kaŜdego profilu wynosi 100 m, a na kaŜdym z nich jest 101 punktów pomiarowych. 44 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Fig. 7.4. Metodyka pomiarów (Scintrex, 1994) Magnetometr bazowy, tzw. bazę, umieszczono poza polem pomiarowym ok. 10-20 m od profilu -10 na SW (poniŜej pola pomiarowego), gdzie według fig. 4.1. miejsce to jest poza przypuszczalnym oddziaływaniem pola anomalnego. Wyniki pomiarów na bazie były rejestrowane co 15 sekund. 7.3. Aparatura pomiarowa System pomiarowy ENVI-MAG jest aparaturą kanadyjskiej firmy Scintrex Ltd. (fig. 7.5.). „Sercem” systemu jest konsola magnetometru (1), za pomocą której wprowadza się ustawienia, współrzędne pomiarów (numer profilu, numer punktu pomiarowego na profilu) i inne potrzebne dane. Efekty ustawień i pomiarów moŜna obserwować na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym LCD. Konsola wyposaŜona jest w gniazda słuŜące do przyłączania sondy pomiarowej (2) do pomiaru indukcji ziemskiego pola magnetycznego lub przyłączenia 2 sond pomiarowych do pomiaru gradientu pola. Aby (za pomocą odpowiedniego programu (9)) sczytać dane pomiarowe do komputera PC, naleŜy go połączyć przewodem (7) z gniazdem transmisji danych konsoli. Wewnętrzną baterię akumulatorów zasila się (ładuje się) energią elektryczną z ładowarki (5) za pomocą przewodu elektrycznego (6). Drugim waŜnym elementem jest sonda pomiarowa (2), którą umieszcza się na tyczce (4) lub stelaŜu (3) (fig. 7.6.). Jest ona zbudowana z pojemnika wypełnionego wodą destylowaną, 45 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH spirytusem lub węglowodorem (np. heksanem C6H14, ropą naftową), który znajduje się wewnątrz solenoidu (cewki indukcyjnej). Nukleony jąder atomów w takim zbiorniku znajdują się w nieustannym ruchu wirowym i mają orientację w kierunku pola. Gdy przez cewkę popłynie prąd elektryczny polaryzujący, wówczas wyindukowane zostanie silne pole magnetyczne o kierunku zgodnym z osią solenoidu, które spolaryzuje jądra atomów w jego kierunku. Po wyłączeniu prądu polaryzującego, protony zaczną precesować wokół kierunku wektora pola magnetycznego Ziemi z częstotliwością Larmora, wzbudzając w cewce siłę elektromotoryczną o częstotliwości proporcjonalnej do wielkości pola magnetycznego Ziemi zgodnie ze wzorem (7.11.). f G T 2 (7.11.) gdzie: T – indukcja ziemskiego pola magnetycznego G – stała Ŝyromagnetyczna protonów równa stosunkowi momentu magnetycznego do momentu mechanicznego Fig. 7.5. System pomiarowy ENVI-MAG firmy Scintrex (Scintrex, 1994) (1 – konsola magnetometru, 2 – sonda do pomiaru indukcji ziemskiego pola magnetycznego, 3 - stelaŜ z uchwytami, 4 – tyczki, 5 – ładowarka, 6 – dodatkowy przewód elektryczny do ładowarki, 7 – przewód łączący konsolę magnetometru z komputerem PC, 8 – instrukcja obsługi, 9 – dyskietka z programem komputerowym do sczytywania danych pomiarowych z konsoli) 46 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Magnetometr protonowy mierzy moduł wektora ziemskiego pola magnetycznego |T|. Nie wymaga on poziomowania, poprawek na temperaturę, orientacji i wykazuje wysoką dokładność ±0.1 nT. Jego zakres pomiarowy wynosi 20000-100000 nT. Fig. 7.6. Sposób umieszczenia sondy podczas pomiarów (Scintrex, 1994) (a – sonda umieszczona na tyczce, b – sonda umieszczona na stelaŜu) 7.4. Wyniki pomiarów Na fig. 7.7. jest przedstawiona mapa anomalii magnetycznej ∆T opracowana przy uŜyciu programu SURFER firmy Golden Software. Na fig. 7.8. pokazany jest zestaw krzywych pomiarowych opracowanych w programie GRAPHER firmy Golden Software. Rozkład wartości anomalii ∆T ograniczony jest do 10 profili zawartych w polu pomiarowym. Na pierwszym planie pojawiają się anomalie liniowe o wartości nawet do ok. 600 nT o rozciągłości WSW-ENE. Przypisuje się im obecność diabazów miękińskich w tym miejscu albo w postaci dajek pionowych lub delikatnie pochylonych albo płyty (powstałej z nierównomiernego płynięcia potoku magmowego) popękanej. W północnej części pola pomiarowego jest anomalia o wartości do ok. 400 nT, której pochodzenie nie zostało jeszcze określone. MoŜe to być struktura leŜąca znacznie głębiej niŜ badany diabaz lub teŜ płytko leŜące skały o słabszych własnościach magnetycznych w porównaniu z własnościami diabazu. Pomiędzy kaŜdą z anomalii dodatnich występują anomalie, których wartość zbliŜona jest do 0, a nawet poniŜej 0. Te strefy wydają się być niemagnetyczne lub mieć bardzo słabe 47 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH N dT [nT] prawdopodobne uskoki Fig. 7.7. Mapa anomalii magnetycznej ∆T nad intruzjami diabazów w Miękini S N dT [nT] profil -10 200 0 profil -5 -200 profil 0 profil 5 profil 10 -50 -40 -30 -20 0 -10 10 20 30 40 y [m] Fig. 7.8. Zestawienie krzywych pomiarowych anomalii magnetycznej ∆T wzdłuŜ poszczególnych profili pomiarowych nad intruzjami diabazów w Miękini 48 50 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH własności magnetyczne. Mogą to być, np. jakieś przeszkody w równomiernym płynięciu magmy (gdy załoŜymy model płytowy) lub skały rodzime pomiędzy pęknięciami (gdy załoŜymy model dajkowy). Charakterystyczne ugięcia, bądź nawet przesunięcia anomalii świadczą o moŜliwości występowania uskoków na tym obszarze, jak na fig. 7.7. 7.5. Przetwarzanie danych Przetwarzanie ma na celu odpowiednią obróbkę otrzymanych danych pomiarowych. Zalicza się tu równieŜ inwersję (interpretację geofizyczną). Podczas pomiarów magnetometry były zsynchronizowane, tzn. ich zegary wskazywały dokładnie tę samą godzinę, lecz czas rejestrowania pomiarów dla kaŜdego przyrządu był róŜny. W punkcie bazowym pomiary były zapisywane co 15 sekund, zaś na profilach – wtedy, kiedy zaistniała potrzeba, tzn. w momencie ustawienia się na danym punkcie pomiarowym. Aby obliczyć anomalię magnetyczną ze wzoru (7.7.) naleŜy doprowadzić tego, aby Tpom i Tbaz miały wartości w dokładnie tym samym czasie. Zastosowano do tego interpolację czasową. Polega ona na obliczeniu wartości pola magnetycznego Tbaz w czasie, w którym został wykonany pomiar w danym punkcie profilu Tpom. Wykorzystano do tego program równaj.exe autorstwa dr hab. inŜ. Grzegorza Bojdysa. Otrzymane dane to wartość anomalii magnetycznej oraz współrzędne punktów pomiaru, z których wykreślono, w programie SURFER, mapę anomalii magnetycznej (fig. 7.7.) oraz, w programie GRAPHER, zestaw krzywych pomiarowych ∆T (fig. 7.8.). Wyniki ∆T z kaŜdego profilu moŜna wczytać do programu Inter-m2D. 7.5.1. Program komputerowy Program Inter-m2D (fig. 7.9., fig. 7.11., fig. 7.12.) autorstwa dr hab. inŜ. Grzegorza Bojdysa jest aplikacją słuŜącą do rozwiązania zadania odwrotnego (inwersji) w magnetometrii przez rozwiązanie zadania prostego, czyli modelowanie. Polega ono na takim (tu „ręcznym”) dobraniu modelu magnetycznego, aby obliczony od niego efekt w postaci krzywej modelowej pokrywał się lub był zbliŜony z dopuszczalnym błędem do krzywej pomiarowej (fig. 7.11.). W pierwszej kolejności naleŜy wczytać dane. SłuŜy do tego opcja . UmoŜliwia ona załadowanie krzywej pomiarowej (*.dat, *.txt), morfologii terenu (*.dat, *.txt), modelu (wcześniej przygotowanego – *.dat, *.txt) oraz kontynuację rozpoczętej wcześniej pracy (*.rob, *.rez). Aby wczytać taki plik, musi on mieć odpowiednio przygotowany nagłówek (fig. 7.10.a) zawierający: ilość punktów pomiarowych na danym profilu, krok pomiarowy, azymut profilu (patrz fig. 7.3.), inklinację ziemskiego pola magnetycznego, typ anomalii (np. 49 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH T) oraz adnotację. Na samym końcu w zaleŜności od tego, czy jest to model, podana jest liczba struktur (powierzchni rozdziału) do jego stworzenia. Opcja umoŜliwia powrót do skali 1:1, po wcześniejszym zastosowaniu przewyŜszenia osi poziomej lub pionowej Kliknięcie na . pozwala dokonać korekty wybranej powierzchni rozdziału (fig. 7.11.) albo rozkładu namagnesowania w warstwie oraz kąta namagnesowania w płaszczyźnie profilu β (dla całego modelu) (fig. 7.12.). W dolnej części ekranu pojawia się dodatkowe menu, z którego moŜna wybrać powierzchnię rozdziału lub warstwę i zmienić wartości wymaganych parametrów. Stawianie repera blokuje zmianę wybranego punktu (dostępne w późniejszych wersjach programu). „Licz wszystko” oblicza krzywą modelową na podstawie załoŜonego modelu. Zwykle przy kaŜdej zmianie parametrów modelu zmiany krzywej modelowej są od razu zauwaŜane, lecz czasami przy wczytaniu nowego modelu naleŜy uŜyć tego klawisza do odświeŜenia wyników. Program umoŜliwia teŜ odwrócenie profilu pomiarowego , a tym samym automatyczną zmianę wartości azymutu profilu oraz kąta namagnesowania β (zgodnie z fig. 7.3.). W końcu uzyskane wyniki uŜytkownik moŜe zapisać na dysku komputera po kliknięciu na . W tej opcji dostępne jest zapisanie: krzywej modelowej (*.dat), warstwy redukcyjnej (morfologii) (*.dat), parametrów modelu (*.dat), całości jako wersja do programu SURFER w postaci tzw. „maski” (*.bln) oraz całości jako wersji roboczej (*.rob), którą moŜna z powrotem wgrać do programu. Informacja o programie Inter-m2D dostępna jest pod ikonką . Obok klawiszy funkcyjnych są wyświetlone (jak na fig. 7.10.b) parametry zawarte w nagłówku pliku, który zostaje wczytany do programu. Fig. 7.9. Okienko startowe programu inter-m2D a) b) Fig. 7.10. Dane z nagłówka pliku a) wyświetlone w programie Inter-m2D b) 50 Praca magisterska krzywa pomiarowa krzywa modelowa Michał Górka, WGGiOŚ, AGH warstwa redukcyjna model Fig. 7.11. Korekta wybranej powierzchni Fig. 7.12. Korekta namagnesowania w warstwie Program umoŜliwia ustalanie rozkładu namagnesowania osobno w kaŜdej warstwie modelu. Kąt namagnesowania w płaszczyźnie profilu odnosi się do wszystkich warstw tworzących model. 51 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 7.5.2. Interpretacja geofizyczna przy uŜyciu programu komputerowego Przed przystąpieniem do interpretacji geofizycznej (inwersji) naleŜy dobrać wartość namagnesowania J diabazu oraz skał otaczających i wartość kąta namagnesowania w płaszczyźnie profilu β. Dla uproszczenia procesu inwersji, przyjęto taką samą wartość J dla całego złoŜa i wartość β, choć w rzeczywistości złoŜe nie jest jednorodne i w kaŜdym miejscu moŜe mieć inną wartość J oraz inny kąt namagnesowania. Namagnesowanie diabazu czarnego otrzymano z obliczeń, których wyniki przedstawiono w tabeli 6.1. (rozdz. 6.4.) – J = 1.6 A/m. Nie wzięto pod uwagę wartości J diabazu brunatnego, gdyŜ jest ona zbyt mała w porównaniu z J odmiany czarnej, co mogłoby spowodować wygenerowanie modelu o znacznych miąŜszościach. Efekt ten nie byłby wówczas zgodny z rzeczywistością. Wartość namagnesowania skał otaczających przyjęto J = 0 A/m, gdyŜ modelowanie magnetyczne związane jest tylko ze skałami posiadającymi własności magnetyczne. Wartość β wyznacza się metodami laboratoryjnymi wykonując badania paleomagnetyczne NRM (naturalnej pozostałości magnetycznej) próbki. Badania te nie były moŜliwe do zrealizowania, bo nie ma reprezentatywnych próbek ze złoŜa. Próbki przedstawione na fig. 1.1. i 6.1. pochodzą z odsłonięcia przy drodze polnej zaznaczonej czerwoną strzałką na fig. 4.1., czyli ok. 100 m na zachód od pola pomiarowego. Pozostało więc dobrać wartość β metodą szukania. Wykorzystano do tego wyniki inwersji geoelektrycznej z fig. 5.12. ZałoŜono granicę diabazów na izolinii 72 Ohm*m i (na profilu 5) 58 Ohm*m digitalizując model geoelektryczny. Dane te wczytano do programu Inter-m2D jako początkowy model magnetyczny. Przyjęto wstępnie, Ŝe skała jest namagnesowana indukcyjnie (zgodnie z obecnym polem magnetycznym), czyli β = 63°. Ustalono, Ŝe strop skały pokrywa się (w górnej części kaŜdego profilu) z izolinią wartości oporności elektrycznej (linii tej samej wartości ρ) odpowiednio 72 i 58 Ohm*m. Następnie manewrując tylko dolną powierzchnią rozdziału, dopasowano, w miarę moŜliwości najlepiej, krzywą modelową do krzywej pomiarowej ∆T. NałoŜono (w programie SURFER) model magnetyczny na model geoelektryczny, lecz nie miały one ze sobą nic wspólnego (nie pokrywały się). Namagnesowanie nie pokryło się z namagnesowaniem indukcyjnym, z tego wynika, Ŝe istnieje pozostałość magnetyczna. Zatem przyjęto inną wartość kąta namagnesowania. W kolejnych etapach szukania β, ustalono niezaleŜnie dla kaŜdego profilu wartość tego kąta, dobierając ją tak, aby oba modele pokrywały się najlepiej: na profilu -5 – β = 160°, na 0 – β = 160° i na 5 – β = 140°. Z uwagi na konieczność ujednolicenia wartości kąta namagnesowania (łatwość interpretacji oraz ustalenie wypadkowej wartości kąta dla całej skały), przyjęto 52 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH średnią arytmetyczną z tych liczb. Dla β = 153° wykonano jeszcze raz proces inwersji, którego wyniki przedstawione są na fig. 7.13, fig. 7.14 i fig. 7.15. Profil -5 S N 300 200 ρ [ohm*m] 100 dT [nT] 370 212 171 0 138 110 89 -100 72 58 46 -200 38 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 -5 31 25 20 16 12 8 5 h [m] -10 2 0 -15 -20 1.6 1.6 1.6 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 Fig. 7.13. Dobór kąta namagnesowania oraz przedstawienie modelu dajkowego na profilu -5 53 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil 0 S N 300 200 ρ [ohm*m] 100 370 dT [nT] 212 0 171 138 110 -100 89 72 58 -200 46 38 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 31 25 20 0 -5 16 12 8 h [m] -10 5 -15 -20 2 0 1.6 1.6 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 1.6 -25 Fig. 7.14. Dobór kąta namagnesowania oraz przedstawienie modelu dajkowego na profilu 0 54 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH N Profil 5 S 300 200 ρ [ohm*m] 100 370 dT [nT] 212 171 0 138 110 89 -100 72 58 46 -200 38 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 -5 31 25 20 16 12 8 5 h [m] -10 1.6 0 2 1.6 1.6 -15 -20 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 Fig. 7.15. Dobór kąta namagnesowania oraz przedstawienie modelu dajkowego na profilu 5 ZałoŜono 2 koncepcje rozwiązania zadania. Pierwszą jest to, Ŝe 2 dominujące anomalie związane są z pionowymi strukturami (dajkami). Zadanie to rozwiązano w trakcie szukania kąta β. Ta niezgodna intruzja dość dobrze pasuje tylko do modelu geoelektrycznego na profilu 0 (fig. 7.14.). Druga koncepcja zakłada, Ŝe diabaz występuje tu w postaci popękanych bloków płytowych, co bardziej odpowiada wynikom inwersji geoelektrycznej (fig. 5.12.) i rzeczywistej budowie geologicznej, przedstawionej na fig. 3.2. Wobec tego zdecydowano się skupić uwagę na drugim rozwiązaniu. Z ustalonymi wcześniej parametrami (J = 1.6 A/m oraz β = 153°) przystąpiono do interpretacji magnetycznej. Aby w duŜym stopniu ograniczyć wieloznaczność, model magnetyczny starano się dopasować dość dokładnie do modelu geoelektrycznego (modelu wyjściowego), bowiem metodę Resistivity Imaging oraz moŜliwość automatycznej inwersji (bez ingerencji interpretatora) jej wyników, uznano za metodę samodzielną. Na profilach -10 i 55 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 10 model magnetyczny opracowano na podstawie podobieństwa z modelami sąsiednich profili (odpowiednio -5 i 5). Spąg diabazu ustalono na głębokości większej niŜ głębokość zasięgu metody geoelektrycznej ze względu na moŜliwość jego występowania poniŜej. Dopasowanie dolnej granicy diabazu jest mniej pewne i mniej czułe, bo efekt magnetyczny z takiej głębokości h jest jak 1/h3, dlatego tam, gdzie było to konieczne, zmieniano głębokość spągu w większym zakresie. Manewrowano głównie stropem interpretowanej skały, gdyŜ im bliŜej powierzchni Ziemi, tym czułość na zmiany jest większa. Ze względu na niewiadome pochodzenie anomalii magnetycznej północnej części kaŜdego profilu, stwierdzono, Ŝe ciało ją wywołujące, moŜe znajdować się głębiej, dlatego głębokość spągu sięga wartości nawet 25 m, a strop ustalono poza zasięgiem metody geoelektrycznej. W ramach eksperymentu dokonano inwersji danych pomiarowych z uwzględnieniem morfologii terenu na tle wyników interpretacji geoelektrycznej na profilu 0 (fig. 7.16.) i porównano (z dokładnie tymi samymi załoŜeniami) z wynikami bez morfologii (fig. 8.3.). RóŜnice jakie powstały, wynikają z wieloznaczności interpretacji. Zmiany kąta nachylenia terenu nie wpłynęły w sposób istotny na wyniki interpretacji magnetycznej, dlatego nie brano pod uwagę morfologii do inwersji na pozostałych profilach. 56 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil 0 S N 300 200 ρ [ohm*m] 100 370 dT [nT] 212 0 171 138 110 -100 89 72 58 -200 46 38 y [m] dh [m] 10 5 10 30 20 40 50 60 80 70 90 100 31 25 20 16 12 0 8 5 1.6 -5 h [m] -10 -15 -20 2 0 0 1.6 0 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT morfologia terenu 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 1.6 -25 Fig. 7.16. Zestawienie interpretacji magnetycznej (z uwzględnieniem morfologii) i geoelektrycznej na profilu 0 57 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 8. Zestawienie wyników badań magnetycznych i geoelektrycznych i ich omówienie Zestawienie wyników badań magnetycznych i geoelektrycznych to prezentacja ostatecznych wyników interpretacji geofizycznej wraz z odniesieniem do budowy geologicznej na terenie pola pomiarowego. Budowa geologiczna nie jest w tym miejscu dokładnie rozpoznana, dlatego wyniki badań mogą pomóc rozwiązać ten problem, przynajmniej do głębokości 10-15 metrów. Fig. 8.1.-8.5. przedstawiają wyniki interpretacji geofizycznej na kaŜdym profilu. Fig. 8.1. i fig. 8.5. nie zawierają wyników geoelektrycznych, dlatego modele magnetyczne dopasowano na podstawie podobieństwa do modeli sąsiednich profili. Szacuje się, Ŝe modele Resistivity Imaging powinny wyglądać podobnie. Strefa o najwyŜszych opornościach na głębokości 2-10 m odpowiada „warstwie” diabazu miękińskiego, co potwierdza model magnetyczny oraz obecność maximów oporności pod dodatnimi ekstremami krzywej anomalii ∆T. Diabaz charakteryzuje się (tu) względnie wyŜszą wartością oporności elektrycznej oraz najsilniejszymi własnościami magnetycznymi. Skała ta jest w róŜnym stopniu zwietrzała, co moŜna zauwaŜyć na wynikach geoelektrycznych. Im ona jest bardziej zmieniona, tym jej oporność jest niŜsza. W miejscach, gdzie oporność ma duŜą wartość, moŜe być czarna odmiana diabazu, a tam, gdzie niŜszą – brunatna. Ta pierwsza zawiera magnetyt, który posiada silne własności magnetyczne, a druga – hematyt, magnetycznie słabszy w stosunku do pierwszego. Nad omawianą skałą występuje zwietrzelina, która raczej nie wykazuje własności magnetycznych, choć miejscami model magnetyczny ją obejmuje. MoŜe to być związane z obecnością duŜej ilości wtórnych minerałów magnetycznych lub moŜe to być ta skała, lecz w tym miejscu mieć inne własności elektryczne. Nieuwzględnienie morfologii terenu w pomiarach elektrooporowych moŜe na to mieć niewielki wpływ, szczególnie w południowej części przekroju. Strefa głębokości od 0 do ok. 2 m związana jest z glebą, w dolnej części z dodatkiem gliny zwietrzelinowej. Wysoka oporność moŜe być związana z występowaniem lessów (Czerny, 2006) lub bardzo przesuszonej gleby. W dolnej części przekroju, strefa pośrednich oporności (25-75 Ohm*m) prawdopodobnie reprezentuje zwietrzały lub przeobraŜony, w wyniku wylania się gorącej magmy, zlepieniec myślachowicki. Z informacji geologicznych (rozdz. 3.) wynika, Ŝe zlepieniec wietrzał w tym samym okresie, co diabaz, ale proces przeobraŜenia i potem wietrzenia jest tu jak najbardziej moŜliwy. Wobec tego niska, jak na zlepieniec, oporność elektryczna jest uzasadniona. W północnej części przekroju geoelektryczno-magnetycznego oraz na głębokości powyŜej 10 m występuje strefa o obniŜonej oporności. Fig. 3.2. podpowiada, Ŝe w tym miejscu są skały 58 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH strefy paleowietrzeniowej powstałej ze zwietrzenia niŜej leŜących warstw, którą tworzą iły. W północnej części zagadkowa jest anomalia magnetyczna. Do końca nie wiadomo, co ją wywołuje. Pomiary przy uŜyciu tomografii elektrooporowej nie wykryły Ŝadnego ciała zaburzającego pole magnetyczne w tym miejscu. Na tej podstawie moŜna sądzić, Ŝe anomalia pochodzi od ciała zlokalizowanego głębiej niŜ głębokość diabazu. Nawet w modelowaniu magnetycznym przyjęto dla tego obiektu namagnesowanie 1.6 A/m, jak dla diabazu, gdyŜ wówczas sądzono, Ŝe to ta skała moŜe tam znajdować się. Z kolei Czerny (2006) podaje, Ŝe tę strefę budują iły pąsowo-czerwone i fioletowo-czerwone, drobno mikowe, z wkładkami piaskowców arkozowych czerwonawych i Ŝółtawych. Górna jej część jest czerwona, gdyŜ zawiera minerały, w których Ŝelazo jest na trzecim stopniu utlenienia Fe3+ (goethyt, hematyt), a dolna – szara lub czarna, bo zawiera minerały femiczne na drugim stopniu utlenienia Ŝelaza Fe2+ (np. magnetyt?). Wymodelowana w tej części przekroju struktura moŜe wskazywać na większą koncentrację hematytu, a nawet magnetytu (?) w iłach, pojawiającą się na głębokości od ok. 5.5 m lub płycej. Warto teŜ zwrócić uwagę na minimum anomalii magnetycznej w okolicy środka kaŜdego profilu. Charakteryzuje ono skały niemagnetyczne. UwaŜa się, Ŝe diabaz jest skałą spójną i nie zawiera minerałów pierwotnych. W wyniku wietrzenia powstały minerały wtórne. Dodatkowo w tym miejscu te wtórne minerały mogły zostać usunięte przez wody gruntowe lub inny czynnik trudny do identyfikacji na obecnym poziomie badań. Innym wyjaśnieniem, bardziej prawdopodobnym, jest przeszkoda w równomiernym płynięciu potoku magmowego. Wówczas byłaby ona niemagnetyczną skałą (o oporności elektrycznej zbliŜonej do oporności diabazu), nie mającą nic wspólnego ze zjawiskami magmowymi, istniejącą jeszcze przed intruzją. Na profilach 5, 0 i -5 między 70. i 80. metrem obserwuje się niewielką anomalię, która „przesuwa się” w kierunku północnym wraz ze zmianą profilu w podanej kolejności. Na profilu 10 i -10 ona nie występuje lub jest maskowana przez sąsiadujące większe anomalie. Nie jest to struktura 2D (dwuwymiarowa), stąd problem z dopasowaniem modelu magnetycznego. Na przekroju elektrooporowym obserwuje się w iłach lokalny wzrost oporności do 20-25 Ohm*m. Ta „dziwna anomalia” magnetyczna i elektryczna moŜe być związana z nieciągłością tektoniczną. Prawdopodobne uskoki tektoniczne zaznaczone są na mapie anomalii magnetycznej przedstawionej na fig. 7.7. Na profilu 0 między 52. i 62. metrem (fig. 8.3.) na przekroju Resistivity Imaging wyraźnie obserwuje się jak struktura pozioma zmienia kierunek na pionowy. Tego niezwykłego zjawiska nie ma na pozostałych przekrojach. Do tej pory uwaŜano, Ŝe potok magmowy mógł wypłynąć na 4 strony świata ze szczeliny lub komina będącego odsłonięciem w drodze polnej 59 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH (strzałka czerwona na fig. 3.2., fig. 4.1.). Czy tu teŜ mamy do czynienia ze szczeliną lub kominem wulkanicznym? Jeśli tak, to potok magmowy mógł wylać się z tej właśnie szczeliny i popłynąć na południe, wschód i zachód (a czemu nie w kierunku północnym?). W związku z tym, mogłyby teŜ być 2 kominy: jeden przedstawiony czerwoną strzałką (fig. 4.1.), a drugi to ten omawiany. Do tej sytuacji doskonale pasuje model dajkowy (model struktury pionowej) (fig. 7.14.). Jeśli jednak to nie jest komin, to prawdopodobnie w tym miejscu miąŜszość intruzji jest większa, a efekt ugiętych izoomów moŜe być związany z wietrzeniem tej skały. Ił jest skałą plastyczną, która pod wpływem cięŜaru gorącej magmy mogła podnieść się od północnej strony intruzji, stąd głębokość stropu iłów jest podobna do stropu intruzji diabazu. W południowej części przekroju wyraźnie widać, jak wartość anomalii ∆T maleje. Jest to efekt „wycieniania” się diabazu, tzn. w kierunku południowym intruzja staje się coraz cieńsza. Innym rozwiązaniem moŜe być zwiększająca się głębokość diabazu lub zmniejszająca się wartość podatności magnetycznej na skutek intensywniejszego wietrzenia (występowanie odmiany brunatnej?), czego nie uwzględniono w modelu. KaŜdy ewentualny wzrost wartości anomalii ∆T moŜe być efektem wzrostu oporności elektrycznej (jak np. między 16. i 22. metrem na profilu 0 (fig. 8.3.)), a tym samym obecnością w tym miejscu czarnej odmiany diabazu. Głębokość stropu diabazu jest zmienna. Najmniejsze wartości przyjmuje ona pod maximami anomalii magnetycznej. Dla profilu -10 jest to: 0.4-0.5 m, dla -5: 0.5-0.7 m, dla 0: 0.8-1.1 m, dla 5: 0.9-1.3 m i dla profilu 10: 0.5-1 m. Warto wspomnieć, Ŝe te mniejsze wartości dotyczą maximum ∆T zlokalizowanego między 55. a 60. metrem kaŜdego profilu, zaś te większe związane są z dodatnim ekstremum od strony południowej, jak przedstawiają fig. 8.1-8.5. Z uwagi na mniej pewne i mniej czułe dopasowanie spągu diabazu, jego głębokość szacuje się na 15 m, choć w południowej części kaŜdego profilu nawet na 7 m. W północnej części linii pomiarowej, jak juŜ wspomniano, mamy raczej do czynienia z wysoką koncentracją minerałów magnetycznych w iłach strefy paleowietrzeniowej, stąd głębokość stropu i spągu tej części modelu nie jest związana z występowaniem obok diabazów. W rozdziale 7.5.2. załoŜono 2 koncepcje rozwiązania zadania: model potrzaskanej płyty oraz model dajkowy. Wszystkie wyniki raczej przekonują, Ŝe intruzja ma charakter płytowy. Otrzymany wynik jest ekwiwalentny, ale nie ostateczny i podlega dalszej dyskusji. 60 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil -10 S N 400 300 200 dT [nT] 100 0 -100 -200 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0 -5 1.6 -10 1.6 h [m] 0 0 -15 1.6 -20 1.6 0 model ciala zaburzajacego 0 krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 Fig. 8.1. Wyniki interpretacji magnetycznej na profilu -10 61 100 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil -5 S N 300 200 ρ [ohm*m] 100 dT [nT] 370 212 171 0 138 110 89 -100 72 58 46 -200 38 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 31 25 20 16 -5 0 1.6 8 -10 h [m] 12 5 1.6 2 0 0 -15 -20 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 1.6 -25 Fig. 8.2. Zestawienie wyników interpretacji magnetycznej i geoelektrycznej na profilu -5 62 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil 0 S N 300 200 ρ [ohm*m] 100 370 dT [nT] 212 0 171 138 110 -100 89 72 58 -200 46 38 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 31 25 20 -5 0 1.6 16 12 1.6 8 h [m] -10 5 0 0 -15 -20 2 1.6 0 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 1.6 -25 Fig. 8.3. Zestawienie wyników interpretacji magnetycznej i geoelektrycznej na profilu 0 63 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH N Profil 5 S 300 200 ρ [ohm*m] 100 370 dT [nT] 212 171 0 138 110 89 -100 72 58 46 -200 38 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 -5 20 16 8 5 -10 h [m] 25 12 1.6 0 0 2 1.6 0 -15 -20 31 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 1.6 -25 Fig. 8.4. Zestawienie wyników interpretacji magnetycznej i geoelektrycznej na profilu 5 64 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil 10 S N 400 300 200 dT [nT] 100 0 -100 -200 y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0 0 -5 1.6 1.6 -10 h [m] 0 -15 0 0 model ciala zaburzajacego krzywa pomiarowa dT -20 krzywa modelowa dT 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 Fig. 8.5. Wyniki interpretacji magnetycznej na profilu 10 65 1.6 100 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH 9. Wnioski (zakończenie) W warunkach słabego rozpoznania budowy geologicznej zastosowanie kilku metod geofizycznych pozwala ograniczyć wieloznaczność interpretacji. Wyniki badań metodą Resistivity Imaging dostarczyły informacji o kształcie intruzji diabazowej. Początkowo sądzono tylko w oparciu o analizę obrazu anomalii ∆T, Ŝe diabaz miękiński występuje tu w postaci dajek, lecz wyniki tomografii elektrooporowej pozwoliły na zmianę koncepcji interpretacji. Choć maksymalny zasięg metody wynosi 10.5 m, to jest on wystarczający do potwierdzenia tu budowy płytowej diabazu. Metoda geoelektryczna rzuciła teŜ cień nadziei na to, Ŝe na profilu 0 moŜe istnieć komin lub szczelina, poprzez które mógł wylać się potok magmowy, lecz na tym etapie badań nie da się tego potwierdzić. Obrazowanie elektrooporowe potwierdziło występowanie w północnej i dolnej części profili iłów strefy paleowietrzeniowej. Zastosowanie metody magnetycznej obok metody geoelektrycznej pozwoliło stwierdzić, Ŝe intruzja diabazu miękińskiego ma formę złoŜoną. Największe wartości anomalii magnetycznej mogą być efektem od odmiany czarnej diabazu, gdzie głównym minerałem magnetycznym (wg Czernego, 2006) jest magnetyt. Mniejsze wartości mogą pochodzić od bardziej zwietrzałej skały – odmiany brunatnej, gdzie dominującym minerałem magnetycznym jest hematyt. Występujące w środkowej części profili minimum ∆T wskazuje na pojawienie się tu utworów pozbawionych własności magnetycznych. Mogą one stanowić przeszkodę w równomiernym płynięciu potoku magmowego. Metoda magnetyczna wskazała w północnej części profili anomalię. NiŜsza wartość ∆T, w porównaniu z wartością anomalii nad diabazami, sugeruje obecność ciała zaburzającego na większej głębokości niŜ intruzja diabazu. Wykorzystanie metody kappametrycznej przyczyniło się do ułatwienia modelowania magnetycznego. Dzięki pomiarom podatności magnetycznej próbek, obliczono ich namagnesowanie oraz uŜyto (wartość 1.6 A/m) do stworzenia modelu. Wyniki pomiarów κ (w tab. 6.1.) potwierdzają zróŜnicowanie pod względem stopnia zwietrzenia diabazu (istnienie brunatnej i czarnej odmiany). W czarnej odmianie, gdzie głównym minerałem magnetycznym jest magnetyt, zaobserwowano 3-krotnie większą wartość podatności (κ = 3156.4 · 10-6 CGS) w stosunku do odmiany brunatnej (κ = 995.5 · 10-6 CGS). Dzięki zastosowaniu kompleksowej interpretacji udało się potwierdzić istnienie diabazu miękińskiego na badanym obszarze na średniej głębokości ok. 3 m. Najmniejszej głębokości występowania stropu badanej skały naleŜy się spodziewać pod maximami ∆T, gdzie średnia wartość h = ok. 75 cm. Średnią głębokość spągu szacuje się na 10 m. 66 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Profil -10 S N y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 -5 1.6 1.6 -10 h [m] 0 0 -15 1.6 0 -20 model ciala zaburzajacego 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 Fig. 9.1. Podsumowanie wyników interpretacji geofizycznej na profilu -10 N Profil -5 S ρ [ohm*m] y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 370 212 171 138 -5 0 1.6 110 89 72 -10 h [m] 1.6 58 46 0 38 0 -15 31 25 20 1.6 -20 16 model ciala zaburzajacego 12 8 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 5 -25 2 Fig. 9.2. Podsumowanie wyników interpretacji geofizycznej na profilu -5 Profil 0 S N ρ [ohm*m] y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 370 0 212 171 -5 0 1.6 138 110 1.6 89 72 -10 h [m] 58 0 0 46 1.6 38 31 -15 0 25 1.6 -20 model ciala zaburzajacego 20 16 12 8 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 5 2 Fig. 9.3. Podsumowanie wyników interpretacji geofizycznej na profilu 0 67 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH N Profil 5 S ρ [ohm*m] y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 370 0 212 0 171 138 -5 110 89 1.6 72 -10 h [m] 58 0 0 46 1.6 38 0 -15 31 25 20 1.6 -20 1.6 0 16 model ciala zaburzajacego 12 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] 5 8 -25 2 Fig. 9.4. Podsumowanie wyników interpretacji geofizycznej na profilu 5 Profil 10 S N y [m] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 0 -5 1.6 1.6 -10 h [m] 0 0 -15 -20 0 1.6 model ciala zaburzajacego 1.6 0 namagnesowanie modelu magnetycznego [A/m] -25 Fig. 9.5. Podsumowanie wyników interpretacji geofizycznej na profilu 10 Zestawienie metod geofizycznych pozwoliło wyjaśnić źródło anomalii magnetycznej w północnej części. Badania metodą tomografii elektrooporowej wykazały, Ŝe źródło to (koncentracja hematytu lub teŜ magnetytu) występuje w iłach strefy paleowietrzeniowej, co potwierdza przekrój geologiczny na fig. 3.2. Niewielki wzrost ∆T oraz ρ między 70. i 80. metrem moŜe mieć związek z jakąś nieciągłością tektoniczną, co przedstawia fig. 7.7. Ostatecznie moŜna stwierdzić, Ŝe cel pracy został osiągnięty, gdyŜ kompleksowa interpretacja pomiarów magnetycznych i elektrooporowych dała lepsze wyniki (fig. 9.1.-9.5.). Potwierdziła ona wcześniejsze załoŜenia przedstawione na fig. 3.2. (przynajmniej ich część), ale nie ostatecznie i podlega to dalszej dyskusji. 68 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Literatura Bartington Instruments Ltd (2004) Operation Manual for MS2 Magnetic Susceptibility System. Instrukcja obsługi systemu do pomiaru podatności magnetycznej. Strona internetowa http://www.bartington.com (niepublikowane). Bojdys, G. (2005-2006) Konsultacje w trakcie przygotowywania pracy dyplomowej. Czerny, J. (2006) Przekaz ustny oraz podane ustnie informacje z lat 90. XX w. będące efektem pracy grup studenckich w ramach praktyk z kartografii geologicznej pod opieką dr inŜ. Jerzego Czernego. Czerny, J., Muszyński, M. (1997) Co-Magmatism of the Permian Volcanites of the Krzeszowice Area in the Light of Petrochemical Data. Mineralogia Polonica Vol. 28, No 2, 3-25. Dearing, J. (1999) Environmental Magnetic Susceptibility. Using the Bartington MS2 System. British Library Cataloguing in Publication Data (strona internetowa: http://www.bartington.com), England. Dzwinel, J. (1972) Elektryczne Metody Poszukiwawcze. W: Zarys Geofizyki Stosowanej (Fajklewicz, Z., red.), Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, ss. 295-482. Dzwinel, J. (1978) Geofizyka: Metody Geoelektryczne: Dla Techników. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. Fajklewicz, Z. (1972) Magnetometria Poszukiwawcza. W: Zarys Geofizyki Stosowanej (Fajklewicz, Z., red.), Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa, ss. 227-294. Główny Geodeta Kraju (1997) Mapa topograficzna Polski: Wola Filipowska M-34-64-C-a-2 1:10 000. Główny Geodeta Kraju, Warszawa. Heflik, W. (1960) Charakterystyka Petrograficzna Diabazów i Melafirów z Miękini. W: Materiały do Geologii Obszaru Śląsko-Krakowskiego (tom VI). Instytut Geologiczny, Warszawa, biuletyn 155. Jaroszewski, W. (red.) (1985) Słownik Geologii Dynamicznej. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa. Loke, M. H. (1999) Electrical Imaging Surveys For Environmental And Engineering Studies. Przewodnik do badań metodą Resistivity Imaging. Strona internetowa: http://www.abem.com (niepublikowane). Mortimer, Z. (2001) Zarys Fizyki Ziemi. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków. Płonczyński, J., Łopusiński L. (1992) Szczegółowa mapa geologiczna Polski w skali 1:50000: Krzeszowice M-34-64-C. Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa. Scintrex Ltd (1994): ENVI Geophysical System Operations Manual. Instrukacja obsługi magnetometru. Strona internetowa: http://www.scintrexltd.com (niepublikowane). 69 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Zajączkowski, W. (1964) Utwory Dolnego Karbonu i Budowa Geologiczna Okolic Grzbietu Dębnickiego. W: Materiały Na XXXVII Zjazd Polskiego Towarzystwa Geologicznego (Bojkowski, K., Jachowicz, A., red.), Polskie Towarzystwo Geologiczne, Katowice, cz. II, ss. 1-23. Strony internetowe: http://mapa.szukacz.pl 70 Praca magisterska Michał Górka, WGGiOŚ, AGH Podziękowania Serdecznie pragnę podziękować następującym osobom: Panu dr hab. inŜ. Grzegorzowi Bojdysowi (promotorowi) za wszelką pomoc w organizacji i pomiarach magnetycznych w Miękini oraz opiekę nad pracą dyplomową Pani prof. dr hab. inŜ. Teresie Grabowskiej (recenzentowi) za konsultacje i pomoc w pomiarach podatności magnetycznej próbek diabazów z Miękini oraz opiekę nad pracą dyplomową Panu dr inŜ. Jerzemu Czernemu za konsultacje geologiczne dotyczące badanego obszaru oraz pomoc w znalezieniu literatury na ten temat Panu dr inŜ. Jerzemu Włodzimierzowi Mościckiemu, Panu Wiesławowi Sułowskiemu, KoleŜance Bogusławie Gryboś za pomoc w realizacji i wykonanie pomiarów geoelektrycznych metodą Resistivity Imaging w Miękini KoleŜankom: Paulinie Smółce, Katarzynie Trzupek i Joannie Wiecheć za pomoc przy pomiarach magnetycznych w Miękini Panu dr inŜ. Ireneuszowi Felisiakowi za pomoc w znalezieniu literatury Panu dr inŜ. Jerzemu Włodzimierzowi Mościckiemu za moŜliwość skorzystania z pełnej wersji programu do inwersji geoelektrycznej Res2Dinv firmy Geotomo Software Panu dr inŜ. Januszowi Antoniukowi i Panu mgr inŜ. Grzegorzowi Strózikowi za pomoc przy wstępnej interpretacji geoelektrycznej Panu mgr inŜ. Grzegorzowi Strózikowi za udostępnienie zdjęć aparatury GEOMES-RR5 z pomiarów w październiku 2003 na Rynku Głównym w Krakowie Panu mgr inŜ. Michałowi Rudzkiemu z przedsiębiorstwa Geofizyka Toruń Sp. z o.o. za udostępnienie i zeskanowanie mapy geologicznej rejonu Krzeszowic Panu Andrzejowi Szumnemu z Pracowni Szlifierskiej WGGiOŚ za wycięcie oraz wyszlifowanie próbek diabazu miękińskiego Koledze Adamowi Waśniowskiemu za zeskanowanie mapy topograficznej oraz za sfotografowanie próbek skalnych KoleŜance Bogusławie Gryboś za udostępnienie zdjęć aparatury GEOMES-RR5 KoleŜance Monice Wilk za korektę angielskiej wersji streszczenia pracy 71
