Magnetometrie

Evropští námořníci již od 12. století požívali pro navigaci magnetickou střelku – kompas, ale to, že střelka ukazuje na sever, přičítali přitažlivosti Polárky. Až v roce 1600 publikoval W. Gilbert teorii o Zemi jako magnetu (magnete tellure). Na začátku 19. století začalo pravidelné měření parametrů magnetického pole Země (geomagnetické pole, GMP); v roce 1835 bylo na různých lokalitách Země již 50 geomagnetických observatoří.

Obr. 1: Protonový magnetometr (fa Geofyzika Brno)

GMP se průběžně mění. Dlouhodobé změny se nazývají sekulární variace a souvisejí s vnitřním (hlavním) zdrojem GMP. Podle nejčastěji přijímané teorie je GMP generováno na rozhraní zemského jádra a pláště, které mají nepatrný a proměnlivý rozdíl v rychlosti rotace. Tento rozdíl umožňuje vznik pole a současně způsobuje jeho proměnlivost, která vyvrcholí změnou magnetických pólů. Podle paleomagnetických dat došlo za posledních 5 milionů let k přepólování 24 krát (Obr. 2).

Obr. 2: Graf normálního (černé plošky) a inverzního (bíle plošky) geomagnetického pole za posledních 5 milionů let, vytvořený na základě paleomagnetických dat

Krátkodobé změny jsou způsobeny vnějšími zdroji, především slunečním zářením. Denní variace mají vcelku pravidelný průběh, pokud nenastaly erupce na Slunci, které se projeví na záznamech GMP jako tzv. magnetická bouře. Průběh GMP v čase sledují geomagnetické observatoře, v ČR dlouhodobě GFÚ AV ČR .

Kromě uvedených zdrojů se na celkovém GMP podílí i magnetické pole geologických těles, která obsahují feromagnetické minerály. Pole těchto těles se projevují v celkovém obraze GMP nepravidelně a tvoří magnetické anomálie. Studiem těchto anomálií se zabývá magnetometrie, která je součástí užité geofyziky.

Vzhledem k nepravidelnosti a proměnlivosti GMP je pro vyčlenění anomálií nutné stanovit referenční pole (RP), které se definuje vždy k danému okamžiku. Definice RP vychází ze sférické harmonické analýzy; první podobu RP vytvořil K. F. Gauss v roce 1838. Dnes definici RP zastřešuje mezinárodní organizace „International Association of Geomagnetism and Aeronomy“ (IAGA) a jako RP je používáno „International Geomagnetic Reference Field“ (IGRF); aktuální platná verze je IGRF 2015,0 (RP vztaženo k datu 1.1.2015).

V magnetometrii se v současnosti měří hodnota totálního vektoru magnetické indukce T (Obr. 3), nejčastěji protonovým magnetometrem. Tento přístroj je založen na magnetické rezonanci jádra atomu a používá jak při leteckém, tak i pozemním měření. Hodnoty geomagnetických anomálií získáme tak, že od naměřené hodnoty totální geomagnetické indukce T odečteme hodnoty denních variací a hodnotu RP (IGRF) pro dané místo. Výsledná hodnota se označuje také jako ∆T a může mít kladnou i zápornou hodnotu. Jednotkou magnetické indukce je tesla (T). Protože hodnoty geomagnetické indukce jsou poměrně malé, používá se jednotka nT (nanotesla, 1 nT = 10^-12 T). Přesnost protonového magnetometru je lepší než 1 nT.

Obr. 3: Složky GMP; T = totální vektor indukce GMP, H = horizontální složka, Z = vertikální složka, D = deklinace, I = inklinace

Celé území ČR je proměřeno převážně leteckou, na malé části území pozemní, magnetometrií v poměrně detailním měřítku 1:25 000. V období let 1961 – 1971 se používala analogová registrace s ferosondou (slitina Ni+Fe+Mo = permalloy) s přesností 10 nT, později se používala již registrace digitální protonovým, případně cesiovým magnetometrem s přesností měření 1 nT – 4 nT. Hodnota RP na území ČR se pohybuje v rozmezí 48 000 – 49 000 nT. Maximální hodnota kladné anomálie ∆T na našem území byla zjištěna v Doupovských horách a činí +8 000 nT, zatímco největší záporné anomálie, lokalizovaná v Hrubém Jeseníku má hodnotu -900 nT. Plošně nejrozsáhlejší je moravská regionální anomálie s maximy ∆T cca +1 000 nT.

Klasickým úkolem magnetometrie je vyhledávání ložisek železné rudy (hodnoty ∆T nad ložisky železných rud v Kursku (Rusko) a Kiruně (Švédsko) dosahují hodnot RP!) i ložisek polymetalických rud, buď geneticky spjatých s pyrhotinem či magnetitem nebo vázaných na kontrastní magnetizaci vůči okolí (Ni – Cu, Cr, W, Mo rudy). Magnetometrie se využívá i při geologickém mapování, např. ke sledování rozdílných typů krystalických hornin v podloží. V industriální krajině se při měření magnetometrie negativně projevují různé antropogenní vlivy. Např. magnetické pole, indukované průjezdem elektrické lokomotivy na trati elektrifikované stejnosměrným systémem 3 kV, je i ve vzdálenosti 1 km od železnice o několik řádů větší než RP. Tyto antropogenní anomálie je třeba při tvorbě celkového geomagnetického pole odstranit.

Příklad využití magnetometrie při geologickém mapování je na obrázku 4.

Obr. 4: Mapa anomálií geomagnetického pole DT v jižní části karpatské předhlubně (mapový list 24-431 Šlapanice). Kladná anomálie M2 je projevem intruzivního tělesa bazického až ultrabazického složení, anomálie M1 je kombinací antropogenních zdrojů a intruzivního tělesa.