Magnetiske metoder i forbindelse med borehuls loggin.


MEGET forkortet udgave uden bilag og større figurer.


Forfatter: John Friis Løndal
Aflevering: 17/1 1994
Vejleder: Niels Abrahamsen

Indholdsfortegnelse

1. Indledning
2. Måling af magnetiske vektorer 2.1 Måling af Susceptibilitet
3. Magnetiske sonder / apparater
4. Sampel måling eller kontinuerte målinger ?
5. Udregning af magnetiske parametre
6. Eksempler på Log's
7. Bore-kerne målinger
8. Magnetisk rensning i borehuls loggin
9. Konklusion
Stikords register
Figur Liste
Bilags Liste
Litteratur Liste

1. Indledning

En beskrivelse af fordele og ulemper ved brugen af magnetiske måle-instrumenter under bore arbejde, med en beskrivelse af de eksisterende metoder.
Hvis det var muligt at bestemme den remanente deklination, inklination, og intensitet i en kontinuerte serie ned igennem et borehul, ville man have et data-sæt der kunne fastlægge alderen på materialet ganske nøjagtigt, idet disse data ville kunne henføres til de kendte sekularvaritioner og polvandringskurver. Desværre er der stor usikkerhed på data målt under sådanne betingelser, og man må modeller de ukendte størrelser.
Alene intensiteten og/eller susceptibiliteten vil kunne give nogle væsentlige oplysninger om det materiale/lag man bore igennem, og nogle gange kan alene bestemmelsen af polariteten i laget, være af stor betydning, idet det så kan være muligt at datere materialet ved hjælp af de magnetiske striber på havbunden. For at måle nogle brugbare parametre kræves der, med et magnetometer med en følsomhed på 0.1 nT, at det materiale der måles i, har en magnetisering på mere end 10-3 Am-1. Dette betyder, at der ikke for alle boringer kan laves en meningsfuld magnetisk-log.
Ved en kontinuerte serie af målingerne, vil opløsningen blive mindre, idet den enkelte måling vil blive påvirket af det opgivne materiale, dette ville ikke være tilfældet ved en sampel måling. Denne ulempe bliver dog opvejet mange gange af antallet af målinger der bliver foretaget i den kontinuerte serie. Desuden får man nogle resultater der ikke er blevet påvirket af varierende felter i forbindelse med udtagning.
I det følgende vil der udelukkende blive taget hensyn til vandrette lag, idet der ved geometrisk matematik kan tages højde for et hældende lag (ref 7). Selv om matematikken i princippet er enkel, kræver den dog nogle store udregningen, da der skal bestemmes en 3 x 3 matrix for hver måling ved en lag-hældning (se bilag 1).

2. Måling af magnetiske vektorer

For at få de ønskede remanente magnetiske parametre bestemt ( deklination, inklination, og intensitet ), skal der måles flere magnetiske vektorer.
I borehullet skal de 3 magnetiske komponenter måles. På borehullets vægge, og helst midlet i et område omkring borehullet, skal susceptibiliteten bestemmes, for at kunne udregne den inducerede magnetisme i bjergarten.
Det totale magnetiske felt skal måles på overfladen, så tæt på borehullet som muligt, for at kunne fjerne eventuelt magnetisk støj, og for at kunne trække feltet fra målingerne.
Desuden skal dybden til den aktuelle måling bestemmes, nøjagtigheden af denne måling er mærkeligt nok, noget der tit bliver "sparet" på. I nogle tilfælde er den blevet målt som længden af den stramme wire i hullet, hvilket giver en ret stor usikkerhed. I de nyere metoder bruges en laser afstandsmåler hvor det er muligt, og ellers forskellige former for radio bølger.
Der er lavet meget få boringer hvor man for alvor har prøvet at bestemme de magnetiske parametre, men i forbindelse med efterforskningen af en stor magnetiske anomali i nærheden af Paris (Frankrig), har man forsøgt, disse log omtales senere. Der findes dog en del log's, hvor den magnetiske feltstyrke, er målt som funktion af dybden, nogle er koblet med susceptibilitets målinger, men i de fleste har det ikke været muligt at beregne de remanente komponenter, enten fordi de har været for svage, eller fordi de er druknet i fejlkilder.
Det man kunne ønske var et resultat der lignede fig-2a, men med en kontinuert serie af målinger, i stedet for markerede punkter for selve målingen.

FIGUR2a, Litostrategrafi af Langmoos sektionen, med resultaterne af NRM komponenterne, i step på 15 cm.

Figur 2a forestiller en serie af sampel målinger ned gennem en sedimentær lagserie, der er lavet en måling for hver 15 cm ud fra en borekerne. Sampel målingerne blev foretaget i et 0-felt laboratorium i USA, med et cryogenic CTF 3-akset magnetometer. Målingerne stammer fra en lille by ved navn Adnet, 10 km fra Salzburg.
Man kan på graferne se tydelige ændringer i alle parametrene, hvilket tyder på et godt magnetisk (uberørt) materiale.

2.1 Måling af Susceptibilitet

Susceptibilitets målinger er det mest udviklede loggin værktøj i forbindelse med magnetiske målinger. Det har vist sig, at susceptibilitets loggen følger gammaloggens udsving i de fleste log's. Hvilket kan forklares med at radioaktive og magnetiske grundstoffer forekommer meget i de samme miljøer, f.eks er meget lidt radioaktivt i kvarts sand, og der er ligeledes ikke mange magnetisk mineraler. Hvorimod begge log's vil slå ud når et ler lag gennembores.

FIGUR2b, Magnetisk loggin i et borehul i Troodos Ophiolite (Cypern).

FIGUR2c, UW/ODP magnetometer.

Et af formålene med susceptibilitets loggen er ofte, at bestemme eventuelle oxiderings horisonter, idet der på loggen kan ses en stigning, ved gennemboringen af en sådan. Koordineres der med andre log's, som ikke viser udslag ved den pågældende grænse, er der måske en oxiderings horisont. Desuden bruges susceptibilitets loggen i forbindelse med identificeringen af mineral sammensætningen i de gennemborede lag, idet den fortæller om indeholdte af magnetit, og andre kraftige magnetiske mineraler. På fig-2b ses hvorledes susceptibiliteten variere hen over en lag-grænse der adskille et område gennemset af dikes, og en Gabbro. Det er tydeligt, at der er mindre Magnetit i Gabbroen, idet man ser både total feltet, og susceptibiliteten falde. Det ses endvidere, at dikene giver en meget kraftig magnetisk anomali, om til 10.000 nT i spikes. Der blev ikke målt retninger af NRM. Nøjagtigheden af magnetometeret var på 0.1 nT, og det var testet i området fra 3.000-100.000 nT.
På fig-2c ses selve proben. Det en UW/ODP magnetometer/susceptibilitet måle probe, baseret på fluxgate magnetometeret indkapslet i et ikke magnetisk titanium hylster, trykprøvet til 1500 bar.

3. Magnetiske sonder / apparater



FIGUR3a, ROMULUS probe. En dipol udsende et magnetisk felt, en anden modtager det der kommer tilbage.

Der har gennem tiden været mange forskellige sonde til måling af susceptibiliteten, et af de mere kendte er ROMULUS, som ses på figuren her til højre ( fig-3a ). Den minder meget om den elektrisk log i teknikken, og det har da også vist sig, at der er en god korrelation til Wenner resistivity variationer.
De målte tilsyneladende susceptibiliteter er højre end dem man finder i sampels, og forskellen bliver større jo længere man kommer ned. Dette skyldes at der oftest er en stigning i jord susceptibiliteten med dybden.
Der er altså ikke de store problemer med målingen af susceptibiliteten under normale forhold, men hvis der f.eks er en anisotrop susceptibilitet, vil der opstå problemer, idet der bliver midlet over forskellige retninger. Det er i dag ikke muligt at måle anisotrop susceptibilitet med kontinuert måleudstyr, og opnå en tilfredsstillende nøjagtighed.

Til bestemmelse af de 3 magnetiske komponenter, skal der bruges et magnetometer der kan måler NRM magnetfeltets retnings vektorer Mx, My, Mz. Et magnetometer med denne egenskab er Cryogenic magnetometeret, som bruger de såkaldt SQUID sensorer ( Superconducting QUantum Inetrference Device). Et problem med dette magnetometer, er at det arbejder ved en temperatur på 4°K, hvilket kræver afkøling med flydende helium. Magnetometeret er meget præcist, og kan let måle NRM komponenter i sampels med en feltstyrke på omkring 0,001 mG.
I forbindelse med en eventuel nedsænkning i et borehul, er der mange problem. Magnetometeret virker ved at prøven kommer ind i en skærm der er omgivet af superledere, som skulle udelukke alt støj, dette vil selvsagt ikke kunne virke i et borehul. Et andet problem er afstanden mellem prøven og selve apparatet, som skal være kortest mulig. Hvilket også bliver et problem i borehullet. Desuden har det problemer med at måle kraftig magnetiserbare bjergarter så som granit og basalt. Til sidst er der økonomien, det er meget dyrt, så dyrt at kun få laboratorier har råd til det.
Proton-magnetometeret er meget følsom overfor elektrisk støj, og små variationer, og er derfor en dårlig kandidat til loggin (det er først effektiv for felter over 20.000 nT.
Alkalidamp magnetometeret er heller ikke en god kandidat, selvom man kan måle helt ned til 0.001 nT. Der er en stor drift i dette instrument, og det vil være ret umuligt at skulle hente det op fra hullet efter få målinger. Der er desuden nogle problemer med stabiliteten som ikke er helt løst endnu.
Spin-magnetometeret er en bedre kandidat, selvom de klassiske bestemmer NRM, ved at lade en prøve rotere inde i centrum af instrumentet, hvilket ikke kan forenes med en fast væg.
Den eneste oplagte kandidat til at hejse ned i et borehul, bliver Fluxgate magnetometeret, eller retter 3 af slagsen, idet dette magnetometer kun kan bestemme én felt retning, men har man 3, kan de placeres i hver sin retning vinkelret på hinanden. Problemet med disse instrumenter er, at de ikke er så nøjagtige de kan kun måle ned til 0.1 nT, og er derfor ikke anvendelige i mange sedimentære bjergarter. Det har dog en oplagt fordel i denne sammenhæng, det fylder ikke ret meget, og det er robust. Hvis blot man kunne forbedre nøjagtigheden af dette apparat, ville man have et stærk værktøj til kontinuerte bestemmelser af NRM.

4. Sampel måling eller kontinuerte målinger ?

Man er hele tiden på jagt efter nye og bedre metoder til at kunne bestemme bjergarter, uden at skulle stå med dem i hånden. Dette fordi det er meget dyrt at tage boreprøver op, og at man kun får oplysning om undergrunden i det lille område som radius af en borekerne er. Det ville være bedre hvis man kunne få oplysninger om et større område. Til dette benytter man forskellige former for loggin værktøjer, som næsten alle midler over områder uden for borehullet. Den mest almindelige, er den elektriske log, som måler den elektrisk ledningsevne i et område omkring 4 elektrode. Et andet meget brugt loggin værktøj, er gamma loggen, som bruges til at måle den naturlige radioaktivitet i de gennemborede lag.
Når man snakker om geofysisk borehulsmålinger (logs), mener man alle de metoder der går ud på at sænke en målesonde ned i et borehul med det formål at registrere nogle fysiske parametre, der kan tolkes med henblik på bestemmelsen af nogle karakteristiske egenskaber ved jord og bjergarterne,samt ved væsker i porerne eller i borehullet.
Det er kendetegnende for de geofysiske metoder, at de er indirekte. Man måler ikke direkte den søgte parameter, men en fysisk størrelse som ved fortolkning kan afsløre nogle af de parametre man rent faktisk er interesseret i.
I forbindelse med sampel målinger, får man ofte den værdi fra målingerne man er ude efter, og tolkningen af resultaterne, er som oftest en statistisk overvejelse.
Sampel målingen er som regel den måling der har den største sikkerhed, idet man står hjemme i laboratoriet, med store maskiner, hvor man i den indirekte loggin metode må gå på kompromis med nøjagtigheden, og de fysiske begrænsninger for log-proben så som størrelse, hensyn til andre prober, temperaturfølsomhed, stød, o.s.v. Selvom laboratoriet kan måle med meget større sikkerhed, er det ikke ensbetydende med at det er mere rigtigt, idet sampelen, for at komme i laboratoriet, er blevet udsat for mange påvirkninger, som altid i nogen grad vil påvirke den størrelse man er interesseret i.
En mellemting mellem sampel målingen og den kontinuerte måling, er borekerne målinger (se senere afsnit). Hvor man oftest bruger et magnetometer der kan måle x,y og z komposanterne direkte, dette er nødvendigt, da man ikke kan vende og dreje kernen på samme møde som man kan med en sampel ( se afsnittet om instrumenter ).
Konklusionen på denne diskussion må blive, at den indirekte metode vil være bedst, hvis den er mulig, både med hensyn til nøjagtighed og økonomi. Blot findes der store tekniske vanskeligheder i forbindelse med nedsænkningen af højt følsomme magnetometerer i flere hundrede meters dybde.

5. Udregning af magnetiske parametre

Som sagt, kan man ikke måle de remanente komponenter direkte, og man er derfor nød til at måle forskellige vektorer, for derefter at udregne de 3 interessante parametre.


Formel 5a

Antages det at jorden består af tynde plan parallel lag, vil man få et respons T(z) fra det anomale felt, hvorg(n), er susceptibiliteten i det n'te lag. R1, er impuls responset for den målte komponent, og (z-n), er afstanden mellem den konkrete dybde z, og det n'te lag. Dette betyder at man altid måler det magnetiske respons for en sum af værdier, og ikke kun den værdi der er i den pågældende dybde. Dog bliver værdien i den konkrete dybde vægtet mest, idet de andre bliver reduceret med afstanden til den pågældende dybde.


Formel 5b

Ligeledes vil der ved måling af susceptibiliteten g(z) bliver målt værdier omkring den pågældende dybde. Hvor R2 er EM impulsen, (for mere information om ellog, og udregningen af EM, henvises til art 3, og bog 1-2). Disse to integraler fortæller at det er næsten umuligt at bestemme den sande værdi i en bestemt dybde. Dog kan man ved at udregne de to integraler får en god tilnærmelse til den sande værdi, og man vil under alle omstændigheder kunne se hvis der sker ændringer ned igennem borehullet.



Formel 5c

FIGUR5a, Skitse af borehul


FIGUR5b, Skitse af Hx, for tyndt lag, og for et tykt lag.

Hvis man vil bestemme et lags magnetiske vektorer Jx og Jy, kan følgende formler bruges, hvor 2e er tykkelsen af det magnetisk lag, a er radius af borehullet, z er måle dybden (se fig-5a), og Hx er den horisontale komponent af det magnetiske felt målt i centrum af borehullet i dybden z, Hz er den tilsvarende vertikale komponent. På fig-5b, er der skitseret hvorledes et tyndt henholdsvis et tykt magnetisk lag vil se ud på en log. Det er i begge tilfælde den horisontale komponent Hx der er skitseret.

6. Eksempler på Log's


FIGUR6a, Magnetisk logs i sedimentære lag,. Fra Paris.

I 1984 blev GPF (Géologie Profonde de la France) startede, målet var at lave en serie af dybe boringer under Paris, for at identificere den store magnetiske anomali der findes under området. Dette lykkedes dog ikke, man kom ikke langt nok ned. I forbindelse med projektet blev der lavet magnetiske log's hele vejen, og man var i stand til at måle en magnetisk gradient, feltstyrken steg med dybden. Der blev desværre ikke målt felt retninger ned gennem hullet, men der blev målt susceptibilitet, og feltstyrke |F|.
På fig-6a, ses 3 kurver som funktion af dybden, i intervallet 120-400 meter. (a) kurven viser |F| udregnet fra susceptibiliteten og NRM, (b) er den aktuelle værdi af |F|, og (c) er [(a) - (b)]. Hvis man iagttager c-kurven, opdager man at styrken af NRM komponenten er meget lille, det drejer sig højest om 1-2 nT, hvilket betyder man må lave meget omhyggelige målinger for at kunne bestemme NRM retningerne. Konklusionen af resultatet var, at der fandtes en kraftig anomal gradient i området (57 nT/km, mod jordens normale magnetisk gradient på 22 nT/Km), man kunne ikke sige noget om NRM, blot måle en tilsyneladende styrke af den.

7. Bore-kerne målinger

Teknikken der bliver brugt til at foretage målinger ned langs en hel borekerne, ligner de teknikker man skal bruge i forbindelse med loggin. Fordelen ved borekernen er, at man kan tage den med hjem i laboratoriet, og dermed bruge de fine instrumenter, samt lave en delvis afmagnetisering, desuden kan der hurtigt laves nogle sampel prøver, for at verificere de målte værdier, eller lave nogle mere nøjagtige målinger, hvor det skønnes nødvendigt.
Samtidig med at man laver disse målinger ser man hvorledes geologien er, dette kan give en del ekstra oplysninger, bl.a kan man vurdere en eventuel knusning af bjergarten, omdannelser (v.h.a tyndslib), og man har bedre baggrund for en vurdering af eventuel remagnetision. I det hele taget for man mange flere oplysninger end ved andre metoder.
Ulemperne er, at det er dyrt, specielt hvis det skal gøres i hårde bjergarter i store dybder. Borehoved skal skiftes, og hele borearbejdet bliver sat i stå, i det tidsrum det tager at udbore prøven. Prøven er svær at håndtere, den kan sagtens nå op på 6 meter, og den skal fragtes til laboratoriet. Maskinerne der skal bruges til at lave disse målinger, skal være meget mere nøjagtige end de 0.1 nT for fluxgate-magnetometeret, ellers falder fordelene til jorden. Dette kræver selvsagt dyre instrumenter, som kun få laboratorier råder over.
Et alternativ, er at snitte kernen op i sampels, og måle de enkelte specimens. Eller bruge et vertikalt spin magnetometer, hvor man kan have hele borekernen i.

8. Magnetisk rensning i borehuls loggin

Jeg har ikke kunne finde nogle artikler der omhandler magnetisk rensning i borehuller. Dette kan skyldes at teknikken er for dyr / vanskelig, i forhold til resultatet.
Et af problemerne er, at man svækker NRM feltet, ved en sådan afmagnetisering, og det er i forvejen meget lille i forhold til andre felter i hullet. Dertil kommer så problemerne med det tekniske.
Man kunne forestille sig en termisk afmagnetisering, hvor man sendte et kraftige varmelegeme ned gennem hullet, for bagefter igen at måle de magnetiske parametre. Der ville opstå problemer med at lave en nul-felt, mens bjergarten er varm, men med en kraftig spole kunne man skabe sit eget felt, som jo er kendt. Ved den næste beregning af de 3 magnetiske komponenter skal denne nye påtrykte NRM trækkes fra. Det er selvfølgelig ikke let at gøre dette, styrken og retningen af det felt man påtrykker skal vurderes i hvert enkelt tilfælde, for ikke at ødelægge de oprindelige NRM komponenter. Tiden for denne metode vil også blive af anselige størrelser, og vil ofte ikke være rentabel, men i forbindelse med datering af lag, vil den måske kunne bruges (udvikles).
En anden kendt form for afmagnetisering, er vekslefelts metoden, hvor en sampel roteres i en kendt magnetisk felt. Denne metode var umiddelbart lettere at overføre til borehullet, idet man ikke behøver at lade prøven rotere, man kan lade feltet rotere. Forestiller man sig situationen, hvor samplen ligger stille, men apparatet der génere feltet rotere, kan man godt overbevise sig selv om, at resultatet bliver det samme.
Problemet med denne metode bunder i det samme som før, nemlig at det der skal måles på, sidder fast. og der kun er meget begrænset adgang til det. Det betyder man ikke kan opnår et "total" tumling af prøven, men man kan lave en delvis parametriseret afmagnetisering. Igen skal der laves nogle kraftige vurderinger af det påtrykte felt, for ikke med det samme at ødelægge NRM komponenterne.

9. Konklusion

Hvis man skal opnå gode resultater, kræver det gode instrumenter, og dermed dyre instrumenter. Disse instrumenter skal sænkes ned i et borehul, hvor de risikere at blive siddende, eller blive ødelagte af stød. Forskning på dette område kræver altså noget risiko beret kapital.

Figur liste

2a. Litostrategrafi af Langmoos sektionen, NRM komponenterne, i step på 15 cm.
2b. Magnetiske loggin målinger på Cypern, |F|, og susceptibilitet
2c. Magnetometer/susceptibilitets probe.
3a. ROMULUS probe.
5a. Skitse af borehul.
5b. Skitse af Hx Respons fra et tykt og et tyndt magnetisk-lag
6a. 3 Log kurver fra Paris, NRM, |F|

Bilags Liste

1. Model af 3 x 3 matrix til udregning af hældende lag.

Litteratur Liste

Werner Bai; Geofysisk borehuls-målinger - Loggin
Werner Bai; Videregående loggin
D.W.Collinson Metods in rock magnetism and palaeomagnetism
N. Abrahamsen Noter til den faste jords fysik II, Geo og Palæomagnetisme
R. F. Butler Paleomagnetism

Følgende Artikler er benyttet



1. Liu­QH Title: Electromagnetic­Field Generated by an Off­Axis Source in a Cylindrically Layered Medium with an Arbitrary Number of Horizontal Discontinuities Source: GEOPHYSICS 1993, Vol 58, Iss 5, pp 616­625

2. Pilkington­M Todoeschuck­JP Title: Fractal Magnetization of Continental­Crust Source: GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS 1993, Vol 20, Iss 7, pp 627­630

3. Desvignes­G Barthes­V Tabbagh­A Title: Direct Determination of the Natural Remanent Magnetization Effect in a Hole Drilled in Layered Ground from Magnetic­Field and Susceptibility Logs Source: GEOPHYSICS 1992, Vol 57, Iss 7, pp 872­884

4. Howard­AQ Chew­WC Title: Electromagnetic Borehole Fields in a Layered, Dipping Bed Environment with Invasion Source: GEOPHYSICS 1992, Vol 57, Iss 3, pp 451­465

5. Spain­DR Morris­SA Penn­JT Title: Automated Geological Evaluation of Continuous Slim­Hole Cores Source: JOURNAL OF PETROLEUM TECHNOLOGY 1992, Vol 44, Iss 6, pp 662­668

6. Craig­IJD Watson­PG Title: Fast Dynamic Reconnection at X­Type Neutral Points Source: ASTROPHYSICAL JOURNAL 1992, Vol 393, Iss 1, pp 385­395

7. Yves Gallet and Vincent Courtillot Title: Modeling magnetostratigrapgy in a borehole Source: GEOPHYSICS vol 54. no 8. aug 1989 p 973-983.

8. L. Daly and A. Tabbagh Title: Towards the in situ measurement af the remanent magnetization of oceanic basalts Source : GEOPHYSICAL JOURNAL (1988) 95, pp 481-489

9. A. Tabbagh, J.P.Pozzi, F. Alvarez, J. Pocachard, J.P Martin, G. Pagès o.a Title: Magnetic fielf and susceptibility logging in GPF borehole at Couy (France) between 0 and 3500 m Source: GEOPHYS J INT (1990) pp 81-88

10. Q.H.Liu, W.C.Chew, M.R.Taherian, K.A.Safinya Title: A Modeling study of electromagnetic propagation tool in complicated borehole environments. Source: THE LOG ANALYST nov-dec 1989 pp 424-436.

11. Janet Pariso, H.Paul Johnson Title: A downhole magnetic loggin tool for the ocean drilling program. Source EOS, the compass, August 1988, 69, 35 pp 818.

12. P.W.Readman, N.Abrahamsen Title: Palaeomagnetism of post glacial lake sediments from Skanderborg sø, Jutland Danmark. Source: PHYSICS OF THE EARTH AND PLANETARY INTERIORS 52 (1988) pp 177-192.