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Doctoral Thesis

Magnetic Anisotropy of Common Rock-Forming Minerals

Author(s): Bidermann, Andrea Regina

Publication Date: 2014

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-010252738

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ETH Library

Diss. ETH No. 21989

MAGNETIC ANISOTROPY OF COMMON ROCK-FORMING MINERALS

A dissertation submitted to attain the degree of

DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH

(Dr. sc. ETH Zurich)

presented by

ANDREA REGINA BIEDERMANN

MSc ETH Earth Sci, Major in Geophysics, ETH Zurich

born November 10, 1985

citizen of Winznau SO

accepted on the recommendation of

Ann M. Hirt, examiner

Andrew Jackson, co-examiner

Thomas Pettke, co-examiner

Eric C. Ferré, co-examiner

2014

Abstract/Zusammenfassung

1

Abstract Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) is often used as a proxy for mineral fabric in

deformed or igneous rocks. AMS results from mineral alignment during deformation in all rock types

or emplacement processes in igneous rocks combined with intrinsic single crystal anisotropy. A

strong preferred orientation of ferromagnetic minerals, which can occur as matrix minerals or as

inclusions within a silicate mineral, can lead to a deviation of the geomagnetic field direction that is

either recorded by a rock in the case of paleomagnetism, or in the induced magnetization when

considering total magnetic field anomalies. In order to interpret magnetic fabrics in terms of rock

texture, which are then related to magmatic flow, sedimentary processes, or rock deformation it is

necessary to know the minerals that control the AMS and their respective intrinsic anisotropies. The

aim of this thesis is to define the single-crystal AMS of the common rock-forming minerals olivine,

pyroxene, amphibole and feldspar. The orientation of the principal magnetic susceptibility directions,

as well as the shape and degree of the AMS ellipsoid is characterized for each of these mineral

groups. Additionally, the dependence of AMS on the crystal lattice and the chemical composition is

also considered. The phyllosilicates used in the study of Martín-Hernández and Hirt (2003) were

reevaluated to obtain the paramagnetic susceptibility at a temperature of 77 K.

The mineral collection investigated in this thesis contains 35 olivine, 63 pyroxene, 29

amphibole, 33 phyllosilicate and 31 feldspar crystals. The single crystals were oriented based on

crystal habit and Laue X-ray diffraction. Their chemical composition was analyzed using laser ablation

inductively coupled plasma mass spectroscopy or electron probe microanalysis. Both methods are

sensitive to atomic weight and thus not capable of directly measuring the relative amounts of Fe2+

and Fe3+. Because the oxidation state of iron can affect the AMS, Fe2+/Fe3+ ratios were determined

with Mössbauer spectroscopy on selected samples.

Single crystals may contain ferromagnetic inclusions, which can grow along certain lattice

planes. The type and concentration of these inclusions was characterized based on acquisition of

isothermal remanent magnetization. Due to their large magnetic susceptibility, small amounts of

ferromagnetic inclusions can dominate both the magnetic susceptibility and its anisotropy.

Therefore, high-field magnetometry was used, because it allows for the separation of the

diamagnetic or paramagnetic contributions from the ferrimagnetic contribution to the AMS. The

former can then be attributed to the silicate minerals, while the latter is related to the ferromagnetic

inclusions. To further understand the magnetic properties of the rock-forming minerals, high-field

AMS measurements were repeated at 77 K, which enhances the paramagnetic susceptibility. The

AMS degree is larger at 77 K compared to room temperature, and the increase is by a factor of

approximately 8 in many minerals used in this study, and also in siderite. Several minerals show a

change in AMS shape when decreasing the temperature, which is related to a directional

dependence of the enhancement of the paramagnetic susceptibility at lower temperatures. This

temperature-dependence was further investigated by monitoring the change in induced

magnetization as a function of temperature between 300 K and 2 K.

The results from this thesis show that the paramagnetic principal susceptibility directions are

related to crystallographic axes in all of the investigated mineral groups. The orientation of the

principal axes depends on crystal structure, chemical composition, and site occupancy and oxidation

state of iron. In olivine, the maximum susceptibility is generally parallel to the c-axis, whereas the

Abstract/Zusammenfassung

2

orientation of the minimum susceptibility at room temperature depends on the iron concentration.

The clinopyroxenes diopside, augite and aegirine have the intermediate susceptibility parallel to their

crystallographic b-axis. The maximum susceptibility is at a 45° angle to the c-axis in diopside and

augite, but parallel to c in aegirine. In the orthopyroxene enstatite, the maximum susceptibility is

aligned with the c-axis, whereas the minimum is parallel to b. Many amphiboles, e.g. actinolite,

ferroactinolite and hornblende have their maximum susceptibility parallel to the b-axis, and the

minimum parallel to a*. Richterite is different; it has the intermediate susceptibility parallel to b and

the minimum and maximum are scattered in the a-c-plane. Phyllosilicates generally have the

minimum susceptibility normal to their basal plane, with usually no significant anisotropy within the

basal plane. Phlogopite, however, can display an anisotropy in the basal plane. Feldspar possesses a

weak AMS with the maximum susceptibility close to the c/c*-axis, and the minimum parallel to b.

The degree of anisotropy increases with Fe concentration in each mineral group in general.

However, the Fe2+/Fe3+ ratio can also play a role. This is most prominently seen in clinopyroxenes,

where aegirine, which contains mainly Fe3+ has a very low AMS degree given its Fe content compared

to diopside or augite, which incorporate mainly Fe2+.

Local ferromagnetic or antiferromagnetic interactions may set in at sufficiently low

temperatures. This has been observed for example in olivine, ferroactinolite and biotite at T < 100 K.

Also muscovite and phlogopite show an onset of ferromagnetic (s.l.) interactions, but at lower

temperatures. This shows how the concentration of Fe, which is higher in biotite than in muscovite

and phlogopite, can influence low-temperature magnetic properties that are being measured. The

degree of AMS increases more strongly for biotite when measured at 77 K compared to room

temperature than for muscovite. This makes it possible to selectively enhance the biotite fabric.

Knowledge about single-crystal AMS was used in order to model magnetic anisotropy in

deformed rocks consisting of minerals from the amphibole, pyroxene or olivine groups. The AMS that

was calculated based on the mineral CPO and the single crystal susceptibility tensors matches well

with measured magnetic anisotropy.

The results presented in this study show that AMS depends dominantly on iron

concentration, oxidation state of iron, and its location in the structure both in terms of site

occupancy and distances between neighboring Fe atoms. This work allows for a better understanding

of AMS in minerals and rocks and will assist in interpreting magnetic fabrics in geologic applications.

Abstract/Zusammenfassung

3

Zusammenfassung Die Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität (AMS) dient oft als Indikator für das Gesteinsgefüge.

Die AMS resultiert aus dem Zusammenspiel von anisotropen Einkristall-Eigenschaften und

bevorzugter Mineralorientierung, die zum Beispiel während einer Verformung entsteht. Wenn

ferromagnetische Mineralien, die in der Gesteinsmatrix oder als Einschlüsse in Silikaten vorkommen

können, stark bevorzugt orientiert sind, kann dies dazu führen, dass deren Magnetisierungsrichtung

von der Magnetfeldrichtung abweicht. Dadurch ist die mit paläomagnetischen Methoden bestimmte

Magnetisierungsrichtung nicht immer parallel zur Paläo-Magnetfeldrichtung. Auch die induzierte

Magnetisierung ist nicht zwingend parallel zum Erdmagnetfeld, was wichtig ist bei der Interpretation

magnetischer Totalfeldanomalien. Um aus der AMS Informationen über das Gesteinsgefüge

abzuleiten ist es wichtig, einerseits zu wissen welche Mineralien für die AMS verantwortlich sind, und

ndererseits deren Einkristall-Anisotropien zu kennen. Unter dieser Voraussetzung können aus der

magnetischen Anisotropie Rückschlüsse über magmatische Strömungen, sedimentäre Prozesse oder

Gesteinsverformung gezogen werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die AMS der gesteins-

bildenden Mineralien Olivin, Pyroxen, Amphibol und Feldspat zu definieren. Dazu wurden die

Orientierung der Hauptsuszeptibilitätsachsen, sowie der Grad und die Form der Anisotropie

bestimmt. Zusätzlich wurde die Abhängigkeit der AMS von der Kristallstruktur und der chemischen

Zusammensetzung erforscht. Zudem wurden die Schichtsilikate aus der Studie von Martín-Hernández

and Hirt (2003) erneut untersucht, um die paramagnetische Suszeptibilität bei 77 K zu bestimmen.

35 Olivin-, 63 Pyroxen-, 29 Amphibol-, 33 Schichtsilikat- und 31 Feldspatkristalle wurden untersucht.

Die Orientierung jedes Kristalls wurde aufgrund des Habitus und Laue-Röntgenstrahlmessungen

bestimmt, und deren chemische Zusammensetzung mithilfe von Laserablation und Mikrosonden-

messungen analysiert. Beide Methoden messen das Atomgewicht, und können deshalb den

Oxidationszustand von Eisen oder die relativen Anteile von Fe2+ zu Fe3+ nicht direkt bestimmen. Da

der Oxidationszustand von Eisen einen Einfluss auf die AMS haben kann, wurde das Fe2+/Fe3+-

Verhältnis an ausgewählten Proben mithilfe von Mössbauer-Spektroskopie bestimmt.

Einkristalle können ferromagnetische Einschlüsse aufweisen, die typischerweise entlang bestimmter

Kristallebenen wachsen. Messungen zum Erwerb von isothermaler remanenter Magnetisierung

wurden benutzt um die Art und Konzentration dieser Einschlüsse zu charakterisieren. Aufgrund ihrer

hohen Suszeptibilität können selbst kleine Mengen ferromagnetischer Einschlüsse sowohl die

gemessene Suszeptibilität als auch deren Anisotropie dominieren. Aus diesem Grund wurden

Hochfeld-Torsionsmessungen durchgeführt, welche es ermöglichen, die diamagnetischen oder

paramagnetischen Anteile der AMS von den ferrimagnetischen Anteilen zu separieren. Erstere

werden den Silikaten zugeschrieben, während letztere von den ferromagnetischen Einschlüssen

herrühren. Um die magnetischen Eigenschaften der gesteinsbildenden Mineralien noch besser zu

verstehen, wurden die Hochfeld-Messungen bei 77 K wiederholt. Dies verstärkt die paramagnetische

Suszeptibilität. Der Grad der AMS ist bei 77 K stärker als bei Raumtemperatur und erhöht sich für

viele Mineralien in dieser Studie, und für Siderit, um einen Faktor 8. Einige Mineralien zeigen eine

Veränderung der AMS-Form bei tieferer Messtemperatur. Der Grad der Erhöhung der Suszeptibilität

mit abnehmender Temperatur ist abhängig von der Richtung des Magnetfelds relativ zum

Kristallgitter. Diese Temperatur- und Richtungsabhängigkeit wurde anhand von Messungen der

induzierten Magnetisierung als Funktion der Temperatur zwischen 300 K und 2 K weiter untersucht.

Abstract/Zusammenfassung

4

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Orientierung der paramagnetischen Haupt-

suszeptibilitäten an die kristallographischen Achsen geknüpft ist. Die Orientierung der AMS hängt ab

von der Kristallstruktur, der chemischen Zusammensetzung und davon, welche Gitterplätze von

Eisenatomen belegt werden, und welchen Oxidationszustand diese haben. In Olivin ist die maximale

Suszeptibilität generell parallel zur kristallographischen c-Achse. Die Richtung der minimalen

Suszeptibilität hängt bei Raumtemperatur vom Eisengehalt ab. Die Clinopyroxene Diopsid, Augit und

Aegirin haben ihre mittlere Suszeptibilität parallel zur b-Achse. Die maximale Suszeptibilität ist in

Diopsid und Augit um 45° zur c-Achse geneigt, während sie in Aegirin parallel zur c-Achse orientiert

ist. Im Orthopyroxen Enstatit ist die maximale Suszeptibilität parallel zu c, und die minimale parallel

zu b. Viele Amphibole, z.B. Aktinolit, Ferroaktinolit und Hornblende haben ihre maximale

Suszeptibilität parallel zur b-Achse und die minimale parallel zu a*. Richterit verhält sich anders: Die

mittlere Suszeptibilität ist parallel zu b, während die minimale und maximale in der a-c-Ebene

streuen. Die Schichtsilikate haben ihre minimale Suszeptibilität normal zu den T-O-T-Ebenen, und

normalerweise keine Anisotropie innerhalb dieser Ebenen. Phlogopit kann jedoch auch innerhalb der

Ebenen eine Anisotropie aufweisen. Feldspat besitzt eine schwache AMS, deren maximale

Suszeptibilität nahe der c/c* Achse, und die minimale parallel zu b liegt.

Der Grad der Anisotropie nimmt grundsätzlich in jeder Mineralgruppe mit der Eisenkonzentration zu.

Zusätzlich spielt das Fe2+/Fe3+ Verhältnis eine Rolle. Dies wird am eindrücklichsten in Clinopyroxenen

beobachtet: Aegirin, der hauptsächlich Fe3+ enthält, hat eine sehr schwache AMS verglichen mit

Diopsid und Augit, die vor allem Fe2+ enthalten.

Bei genügend tiefen Temperaturen können lokale ferromagnetische oder antiferromagnetische

Interaktionen auftreten. Dies wurde z.B. in Olivin, Ferroaktinolit und Biotit bei T < 100 K beobachtet.

Auch in Muskovit und Phlogopit treten solche Interaktionen auf, allerdings erst bei tieferen

Temperaturen. Dies zeigt, wie die Eisenkonzentration, die im Biotit höher ist als in Muskovit oder

Phlogopit, die magnetischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen beeinflussen kann. Der Grad der

AMS erhöht sich in Biotit stärker als in Muskovit, wenn bei 77 K gemessen wird statt bei

Raumtemperatur. Dadurch ist es möglich, die durch Biotit erzeugte AMS gezielt zu verstärken.

Die Resultate zur Einkristall-Anisotropie wurden benutzt, um die magnetische Anisotropie in

Gesteinen zu modellieren. Dazu wurden Gesteine mit hohem Anteil an Mineralien aus der Amphibol-,

Pyroxen- oder Olivingruppe verwendet. Die mithilfe kristallographisch bevorzugter Orientierung und

Einkristall-Suszeptibilitätstensoren berechnete AMS stimmt gut überein mit der gemessenen

Anisotropie.

Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die magnetische Anisotropie von folgenden Faktoren

beeinflusst wird: die Eisenkonzentration, der Oxidationszustand von Eisen und die Anordnung der

Eisenatome in der Kristallstruktur. Bei Letzterem sind sowohl die Distanzen zwischen benachbarten

Eisenatomen wichtig, als auch das Kristallfeld an einem bestimmten Gitterplatz. Diese Arbeit liefert

die Basis für ein besseres Verständnis von magnetischer Anisotropie in Mineralien und Gesteinen und

wird in Zukunft die Interpretation geologischer Prozesse aufgrund von AMS erleichtern.