Petrofysikk og magnetisme

Petrofysikk er kunnskapen om bergartenes fysiske egenskaper (G. E. Archie, 1950). Studier av bergartenes fysiske egenskaper vil være avgjørende i grunnlegende og praktiske spørsmål ved geofysiske studier, geologiske undersøkelser og geotekniske analyser.
C-Therm TCiTM-instrument for å måle varmeledningsevne.

Ved NGU-Lab er det etablert metoder for å måle bergartenes tetthet, varmeledningsevne og magnetiske egenskaper (magnetisk susceptibilitet og remanent magnetisering). Disse  er viktige parametre som brukes til tolking av data fra fly geofysikk og som kan bidra til mer presis kartlegging. Slike målinger utføres på alle  bergartsprøver som samles inn under geologisk kartlegging og geofysiske undersøkelser, og data samles i NGUs petrofysikk-database.

Tetthet (egenvekt)

Tetthet er eget materials masse per volumenhet (kg/m3) og  vil variere mellom ulike type bergarter på grunn av mineralogisk sammensetning og porøsitet. Magmatiske og metamorfe bergarter har lav porøsitet, mens typiske sedimentære bergarter er porøse.

Kalifeltspat har lavest tetthet (2550 kg/m3), mens jern- og magnesium-rike silikater (2900-3600 kg/m3) og malmmineraler (4800-5200 kg/m3) har høyest tetthet. I krystallinske bergarter av prekambrisk eller kaledonsk alder er porøsiteten vanligvis så lav at den reduserer tettheten med rundt 20 kg/m3. I de permiske bergartene i Oslofeltet kan porøsiteten gi negative bidrag på så mye som 100 kg/m3. De sedimentære bergartene på kontinentalsokkelen kan ha betydelig porøsitet (20-30 %), og reduserer derfor tettheten betydelig. Hulrommene mellom mineralkornene er fylt med vann eller petroleum. Så lenge innholdet av malmmineraler er lavt, påvirkes bergartens tetthet lite, ca. 20 kg/m3 per volumprosent malmmineral. I noen bergarter kan imidlertid innholdet av malmmineraler være på mer enn 10 volumprosent. Tetthet kan enklest måles ved å veie prøvematerialet i luft og nedsenket i vann. Ved å benytte Arkimede's lov kan tettheten (densiteten) beregnes.

Kart som viser tetthet for de ulike bergarter i Norge
Kart som viser tetthet for de ulike bergarter i Norge.

Magnetisk susceptibilitet

Magnetisk susceptibilitet er evnen et material har til å la seg magnetisere. Dette er bestemt av hvilken type magnetiske mineraler som finnes i prøven og deres konsentrasjon i bergarten, men kornstørrelse kan også påvirke bergartens magnetisk susceptibilitet. Susceptibilitet (eller magnetiserbarhet) er en funksjon av mengden magnetiske mineraler i en bergart. Ferromagnetiske mineraler som magnetitt, ilmenitt og magnetkis har den største magnetiserbarheten (0,01-1,6 SI), men paramagnetiske jernholdige mineraler kan også ha betydelig magnetiserbarhet (0,001 - 0,005 SI). Grafitt, salt, kvarts og kalsitt er diamagnetiske og kan, dersom de opptrer i større mengder, gi bergarter negativ susceptibilitet.

Magnetitt er det vanligste mineralet med høy susceptibilitet (opp til 1,6 SI) og kan gi stor spredning i observert magnetiserbarhet. Dersom spredningen er lav, får man vanligvis en karakteristisk og homogen magnetisk anomali over en bergart. Dersom spredningen derimot er høy, observerer man et mer komplisert og uregelmessig magnetisk anomalimønster over bergarten. Slike mønstre kan også si noe om hvordan bergarten er dannet.

Målinger av susceptibilitet i kombinasjon med mineralogiske data,  kan bidra ved tolkingen av ulike bergarter.

Remanent magnetisering

Remanent magnetisering eller egenmagnetisering er bergartens magnetiske felt uten bidrag fra et geomagnetisk (tilleggs-) felt. Remanens (eller egenmagnetisering, NRM) finnes i alle ferromagnetiske mineraler, når de er eller har vært i et magnetisk felt. Q-verdi brukes ofte som et mål på remanens, og er forholdet mellom remanent og indusert magnetisering. Når de magnetiske mineralene forekommer i såkalte lavkoersive korn (større enn ca. 10µm), følger NRM vanligvis jordfeltet. Størrelsen på egenmagnetiseringen er da vanligvis bare 20-30 % av det induserte feltet (dvs. lave Q-verdier på 0,2-0,3).

Dersom andelen høykoersive korn øker, øker også bergartens remanens og spesielt evnen til å holde på en tidlig remanens, for eksempel fra da bergarten ble avsatt, størknet eller ble omvandlet. I noen tilfeller kan den remanente magnetiseringen være betydelig større enn den induserte. Mineraler som gir høykoersive korn er spesielt jern-titanoksydene, der forskjellige avblandingsfenomen gir en oppdeling av kornene i små lameller. En annen kilde til små korn er avblanding av magnetitt i jernholdige silikater.

Magnetisk remanens bestemmes ved å måle magnetfeltet fra prøven i tre retninger inne i omgivelser hvor jordfeltet er skjermet bort. Hvis man vet hvordan prøven lå i naturen, kan retningen på den magnetiske remanensen bestemmes (se mer under Paleomagnetiske målinger).

Varmeledningsevne

Ved hjelp av varmeledningsevne, temperaturvariasjoner og data om varmeproduksjon fra nedbrytningen av radioaktive elementer i berggrunnen kan varmestrøm (og dermed temperaturen i jordskorpa og litosfæren) bestemmes. Kunnskap om berggrunnens varmeledningsevne er viktig i sammenheng med bruk av geotermisk energi, for eksempel for å oppnå optimal dimensjonering av grunnvarmeanlegg og for å modellere varmestrøm i grunnen. Men også for bestemmelse av modning av kildebergarter for hydrokarboner eller karakterisering av kvaliteten på reservoarbergarter i petroleumsforekomster trenger man data av varmeledningsevne. I tillegg til disse økonomiske og samfunnsmessige aspekter gir varmestrømsdata et viktig bidrag til de grunnleggende studier av dannelse og deformasjon av jordskorpe og litosfære.

Paleomagnetiske målinger

Det paleomagnetiske laboratoriet ved NGU blir brukt til å måle forskjellige magnetiske egenskaper i små prøver. Paleomagnetisme og mineralmagnetiske data fra størknings- og sedimentære bergarter, samt ukonsoliderte sedimenter gjør oss i stand til å rekonstruere retning, polaritet og intensitet av jordens tidligere geomagnetiske felt. I tillegg kan målingene benyttes til å finne modellaldere på bergarter og geologiske hendelser.

NGUs Faradaybur er designet for paleomagnetisk forskning som krever at magnetiske målinger og demagnetisering blir utført i et miljø som er beskyttet fra jordas magnetfelt. Buret gir et lavt feltmiljø akkurat som et Mu-metallrom, men lar magnetfeltet, som blir generert av utstyret, unnslippe. Feltkomponentene X-Y-Z virker uavhengig av hverandre og overvåkes med et 3-akset magnetometer og er automatisk kompensert (PID). Inne i dette buret har vi en JR-6A Spinner Magnetometer (Agico) for måling av remanent magnetisme og en MM-TD-60 for automatisert termal demagnetisering. NGU innehar også en vekselfelt demagnetiserer (AF), samt Curiebalanse, Impuls magnetiserer, MS2 suseptibillitet og kombinasjonen suseptibillitet/temperatursystem for magnetisk mineralkarakterisering. 

NGU disponerer også et SQUID magnetometer (Superconducting Quantum Interface Device) av type 755-4K SRM 2G.