Géomagnétisme et
Prospection Magnétique
Si vous utilisez des données de ce travail, vous devez citer la référence en bibliographie de la façon suivante : Djeddi. Mabrouk .Géomagnétisme et prospection magnétique, 25 pp, 07 figures, 01 tableau .Laboratoire de Physique de la Terre, Université M’Hamed Bougara de Boumerdes. Algérie. Djeddimabrouk.fr.gd I - INTRODUCTION Le géomagnétisme consiste à étudier le champ magnétique terrestre. L’étude de celui –ci permet de : -
connaitre ses variations temporelles
-
Reconstituer les déplacements passés des plaques tectoniques (lithosphériques) aux échelles des temps géologiques (paléomagnétisme)
-
explorer et étudier les anomalies magnétiques profondes ou en surface pour la recherche de certains gisements de minéraux utiles. C ‘est l’objet de la prospection magnétique .Celle-ci est fondée sur la mesure des composantes du champ magnétique terrestre et les modifications provoquées localement par le marqueur « contraste d’aimantation » des roches et des sédiments.
-
repérer des anomalies magnétiques qui peuvent témoigner des vestiges au travers des derniers millénaires (archéomagnétisme).
Le champ magnétique principal de la terre est d’origine interne. Il est produit par le mouvement de matières constituant la partie liquide du noyau. Ces mouvements créent non seulement le champ magnétique par l’effet dynamo et électro-aimant mais grâce à leur effets simultanés, ils maintiennent et entretiennent également ce champ. Le champ magnétique terrestre est présent sur l’ensemble de la surface terrestre et l’existence de certains minéraux ferromagnétiques impliquant la présence des métaux ferreux dans le sous-sol induit de ce fait de petites modifications de ce champ. En effet, certains matériaux de l’écorce terrestre tels que le fer, le chrome et le nickel etc. sont caractérisés par l’existence du marqueur aimantation (susceptibilité magnétique), dont la valeur et ses modifications dans l’espace, pourront fournir des effets indirects mesurables. Lorsqu’ un matériau d’une certaine aimantation (ou susceptibilité magnétique) élevée est enfoui dans le sous-sol, il changera localement le champ magnétique et engendrera une anomalie (perturbation) élevée d’amplitudes de quelques dizaines de nT (nano Tesla) repérable grâce à un instrument spécial très sensible : le magnétomètre. A titre d’exemple, un gisement (de fer, de nickel ou de chrome) possédant un changement local dans l’aimantation anormalement élevée par rapport à celle du
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milieu géologique encaissant, se distinguera engendrera dans le champ magnétique terrestre.
par une
anomalie locale qu’il
L’objectif de la méthode de prospection magnétique est de repérer l’existence et de définir la forme cachée des corps (gisements) caractérisés par les contrastes d’aimantation anormalement élevée. Etant donné que la méthode magnétique mesure l’ensemble des phénomènes dépendant du champ magnétique terrestre existant à l’état naturel, il est par conséquent nécessaire de rappeler très brièvement quelques notions fondamentales y compris quelques repères historiques. II - QUELQUES REPERES HISTORIQUES Les premières observations du phénomène magnétique terrestre sont très anciennes. Elles se résument succinctement par ordre chronologique comme suit : VI ième siècle avant J.C. Les chinois avaient déjà constaté les phénomènes magnétiques. -
Le philosophe grecque Thales, six siècles avant J.C avait déjà mis en évidence le phénomène d’aimantation.
observé et
I ier siècle avant J.C. Fabrication de la première boussole (cuillère de Wang Chen-to) par les chinois. V ieme siècle après J.C. Apparition du mot magnétique. Le mot "magnétisme" vient de la Magnésie, qui est une région de la Grèce ou se repérait des aimants naturels. VII ième siècle. Première mesure (en 720) en Chine de la déclinaison magnétique par I-Hsing. XII ieme siècle. Apparition des boussoles en Europe (Alexandre Neckham 1190). XIII ieme siècle. Petrus Peregrinus (1269) découvre le concept de pôles magnétiques et décrit le premier compas. XV ieme siècle. Redécouverte en Europe de la déclinaison magnétique. -
Georg Hartmann effectua les premières mesures cataloguées de la déclinaison magnétique à Rome en 1510. Il découvre l’inclinaison en 1544, cependant sa découverte est restée inconnue jusqu’en 1813.
XVI ieme siècle. Redécouverte de l’inclinaison magnétique par Robert Norman (en 1576) -
A la même époque (entre 1538 et 1541) Joao de Castro effectua 43 mesures de la déclinaison magnétique pendant qu’il voyageait en expédition du Portugal vers l’Inde, il constata que la déclinaison change en fonction du lieu. 2
-
En 1546, Gerhard Mercator prouve à partir des mesures de déclinaison que l'endroit vers lequel pointe l'aiguille aimantée ne peut se trouver "dans les cieux" mais assurément sur la Terre.
-
Finalement, William Gilbert reprend en 1600 les expériences de Peregrinus. , il assimila le champ magnétique terrestre à celui d’un aimant.
XVII ieme siècle. Henry Gellibrand (en 1634) mis en évidence par des mesures que la déclinaison varie dans le temps. XVIII ieme siècle. Johann Wilcke (1768) publia la première carte d’inclinaison magnétique.et etablissement de la premiere carte magnétique par E Edmund Halley (1656-1742) fig.1 -
Puis ce fut la mise en évidence de la variation de l’intensité du champ magnétique avec la latitude par Alexandre Von Humboldt durant la période allant entre 1799 et 1803.
-
Charles Coulomb (1777) et Hans Oersted (1800) ont mené études sur le champ magnétique terrestre.
également des
XIX ieme siècle. Christopher Hansteen publie entre 1825 et 1826 les premières cartes d’intensité. -
Carl Friedrich Gauss(1838) déduit la position des pôles magnétiques en calculant à la main les coefficients du développement du champ en harmoniques sphériques.
-
La découverte du pôle nord magnétique (1831) par James Ross. Michael Faraday (1830) et James Clark Maxwell (1865) ont mené des études notamment théoriques du champ magnétique. Leurs recherches ont dévoilé que des courants électriques produisent des champs magnétiques. Le noyau externe étant métallique et conducteur, il pourrait être parcouru par des courants électriques et de ce fait produire un champ magnétique .Leurs travaux ont permis d’expliquer uniquement le mécanisme de l’électro- aimant. Or, si ce mécanisme était l’unique mécanisme mis-en jeu, le champ magnétique terrestre n’aurait pas survécu très longtemps vu que la résistance électrique du fer liquide du noyau externe aurait provoqué la dissipation complète de l’énergie électrique sous forme de chaleur en si peu de temps alors que la terre existe et porte ce champ depuis plus de 3.5 Milliards d’années.
XX ième siècle. Découverte du pôle sud magnétique par David et Mawson (Expédition Shackleton en 1909). -
J.Lamor (1919) proposa la théorie de la dynamo pour expliquer la présence et la variabilité du champ magnétique terrestre depuis 3,5 milliards d’années .Sa théorie permet d’expliquer pourquoi le 3
champ magnétique est maintenu dans le temps. Dans La théorie du modèle de l’effet « dynamo » , le noyau externe de la terre en mouvement grâce à la force d’Archimède produite par des différences de température et de densité causées par la solidification du noyau terrestre solide , ou de la force de Coriolis provoquée par la rotation du fluide du noyau jouerait le rôle du bobinage .Depuis, il y a eu plusieurs modèles sur l’origine de l’effet dynamo, mais jusqu’à maintenant , ils ne trouvent aucune explication satisfaisante. La seconde question qui reste encore posée est l‘origine d’apparition de ce champ tout à fait au début.
Fig.1 La première carte magnétique, établie par Edmund Halley (1656 – 1742)
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III - ÉLEMENTS DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE ⃗ ) : il a en tout point de la terre, une Le champ magnétique terrestre est un vecteur (𝑭 intensité et une direction particulière. La projection du vecteur ⃗𝑭 sur trois axes X, Y et Z de coordonnées rectangulaires liés aux coordonnées géographiques permet de définir, suivant la direction Sud-Nord géographique les principaux éléments du champ magnétique terrestre. Fig.2 -
La composante horizontale X (positive vers le Nord), appelée aussi composante Nord du champ magnétique.
-
la composante horizontale Y (positive vers l’Est), selon la direction Ouest-Est géographique, appelée aussi composante Est du champ magnétique. la composante verticale Z (positive vers l’intérieur de la terre par convention), selon la verticale du lieu.
-
Les trois composantes X, Y, et Z sont orthogonales entre elles. -
D : Déclinaison magnétique ou angle (X^H), c’est la déviation de l’aiguille de la boussole par rapport au nord géographique autrement dit l’angle entre le nord géographique et la direction de la composante ⃗⃗⃗ du champ magnétique. Elle varie de -90° (Est) à horizontale 𝑯 90°(Ouest)
-
I : Inclinaison magnétique ou angle (F^H) c’est-à-dire l’angle que fait le vecteur ⃗𝑭 par rapport au plan horizontal. C’est donc l’inclinaison de l’aiguille de la boussole vers le haut ou vers le bas .Sa valeur est positive vers le bas. L’inclinaison varie de - 90°(pôle Sud) à 90° (pôle Nord) et 0°degré à l’équateur.
Remarque : -
Les pôles magnétiques sont bien déplacés par rapport aux pôles géographiques à plus de 2000 Km pour le pôle Nord. L’axe magnétique ne passe pas par le centre de la terre et s’en écarte de plus de 1200 km.
-
Les angles D et I sont mesurés en degrés et les autres éléments en nano Tesla (nT) avec 1 gamma = 1 nT (10−9 Tesla) = 10−5 Gauss = 10−5 Oersted = 10−9 Weber / 𝑚2
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𝒀
Déclinaison (𝑫)
𝑫 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏
Inclinaison (𝑰)
𝑰 = 𝐭𝐚𝐧−𝟏
Projection Horizontale (𝑯) du champ
𝑯 = √𝑿𝟐 + 𝒀𝟐 = 𝑭. 𝑪𝒐𝒔𝑰
La composante horizontale Nord (𝑿)
𝑿 = 𝑯. 𝐜𝐨𝐬 𝑫 = 𝑭. 𝐜𝐨𝐬 𝑫 . 𝐜𝐨𝐬 𝑰
La composante horizontale Est (𝒀)
𝒀 = 𝑯. 𝐬𝐢𝐧. 𝑫 = 𝑭. 𝒔𝒊𝒏𝑫 . 𝐜𝐨𝐬 𝑰
Intensité (𝑭)
𝑭 = √𝑿𝟐 + 𝒀𝟐 + 𝒁𝟐
La composante verticale (𝒁)
𝒁 = 𝑭. 𝐜𝐨𝐬 𝑰
𝑿 𝒁 𝑯
Fig.2 Eléments du cham magnétique
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IV - ORIGINE DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE Nos connaissances théoriques générales en physique suggèrent principalement 4 éventualités pour produire un champ magnétique : - aimantation homogène de la terre. - des courants électriques. - la rotation d’une masse matérielle neutre. - des déplacements de charges. Seule la seconde possibilité est vraisemblable .Le champ magnétique terrestre est d’origine interne plus précisément, il est provoqué par l’animation des matériaux qui composent le noyau liquide. Le détail des principales causes sortent du cadre de notre cours, néanmoins elles se résument comme suit : -
Le noyau terrestre est organisé en une partie solide (graine) entourée par une enveloppe liquide.
-
La partie solide cristallise au dépend de l’enveloppe liquide.
Le mécanisme de cristallisation s’accompagne par une mobilité de matériaux. -
Les grandes températures qui règnent entre 4000° et 5000° C l’emportent sur les puissantes pressions (environ 200 G Pa) qui y règnent .Cela permet à la partie externe du noyau de rester à l’état liquide.
Les mouvements de matière du noyau liquide sont générés et maintenus par des forces résultantes du fait : -
des gradients thermiques qui produisent des mouvements de convection.
-
du mouvement de rotation de la Terre. Ce mouvement ne fait qu’ordonner l’écoulement de matière liquide.
-
des gradients de concentration qui découlent de la cristallisation du noyau solide au détriment du noyau liquide.
L’ensemble de ces mouvements engendre le champ magnétique terrestre arrangement d’un effet dynamo et d’un effet électro- aimant.
par
-
L’effet dynamo (conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique) engendre un courant électrique par le phénomène d’induction au niveau d’un conducteur en mouvement et en présence d’un champ magnétique créée par un aimant permanent.
-
l’effet électro-aimant engendre un champ magnétique à partir d’un courant électrique circulant dans un conducteur. 7
L’harmonisation de ces deux magnétique terrestre.
effets permet de créer et de maintenir un champ
Nos connaissances actuelles montrent globalement que le champ magnétique terrestre total est la superposition de deux champs magnétiques -
Un champ magnétique d’origine interne dipolaire.
-
Un champ magnétique non dipolaire, dont une partie est d’origine interne et une partie d’origine externe.
IV - 1 Origine interne dipolaire Le champ magnétique terrestre d’origine interne à plus de 90% est lié aux mouvements de fer liquide conducteur dans le noyau externe. Il est comparable à un champ dipolaire déplacé (fig. 3).
Fig. 3 Les lignes de champ magnétique dipolaire. Cette figure montre que : -
Le champ magnétique est vertical et orienté vers le centre de la terre au pôle Nord géomagnétique
-
Le champ magnétique est vertical mais orienté vers l’extérieur au pôle sud Magnétique.
-
l’axe géomagnétique, passant par les deux pôles, fait un angle de 11,5° par 8
rapport à l’axe de rotation de la terre, joignant les deux pôles géographiques. Son pôle magnétique Nord se trouve dans l’hémisphère Sud. Fig.4 -
Le champ magnétique est horizontal à l’équateur.
Fig.4 Champ magnétique terrestre
IV - 2 Champ magnétique non dipolaire Les 10% restants du champ magnétique terrestre sont non dipolaire et sont d’origne externe et interne. -
origine externe
L’origine externe du champ magnétique total est de l’ordre de 1% environ. Son origine est le résultat de l’interaction des vents solaires avec la magnétosphère et l’ionosphère .Il en résulte des courants électriques présents dans la haute atmosphère et des tempêtes magnétiques dues aux différentes particules produites et rayonnées par le soleil (vents solaires ). Ils provoquent des variations du champ magnétique total et induisent dans le sol, légèrement conducteur des courants électriques par effet de peau. Ces nappes de courant électrique engendrent un champ magnétique en surface, appelé le champ tellurique. Ce dernier est un champ parasite dont il faut atténuer pour connaitre les propriétés exactes du champ magnétique
9
principal.
Fig.5
Fig. 5
-
origine locale
L’origine locale du champ magnétique est causée par l’hétérogénéité géologique. En effet, les roches magnétiques situées à faibles profondeurs dans la terre engendrent un champ magnétique qui constitue une perturbation anormale liée à des variations de susceptibilité magnétique (l’aimantation du sous-sol). La mise en évidence de cette perturbation et sa cartographie peut témoigner de la présence d’un gisement ou d’un vestige (archéologie) qui intéresse le géophysicien explorateur ou l’archéologue. Les anomalies locales du champ magnétique causées par les roches magnétiques et le champ tellurique forment le champ non dipolaire .Celui-ci est généralement irrégulier et plus faible que le champ magnétique dipolaire. V - PRINCIPAUX PARAMETRES MAGNETIQUES V - 1 Aimantation L’intensité d’aimantation représente le moment magnétique d’une substance par unité de volume placée dans un champ magnétique. ⃗⃗ acquiert un Un volume 𝒅𝑽 d’un matériau, placé dans un champ magnétique ⃗𝑯 moment magnétique 𝒅𝒎. 𝒅𝒎 = ⃗𝑨 𝒅𝑽 Le vecteur aimantation 𝐴 est une grandeur macroscopique qui explique la présence des moments magnétiques à l’échelle microscopique dans les matériaux. L’induction magnétique est :
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⃗𝐁 ⃗ = 𝛍𝐨 (𝐇 ⃗⃗ + 𝐀 ⃗ ) ⃗ ∶ Mesure de la densité volumique de moment magnétique ampérien 𝐀 Ampère par mètre).
(unité :
Quand le matériau est isotrope, le vecteur aimantation ⃗A est colinéaire au champ ⃗⃗ , c’est à dire : magnétique H ⃗ = ϰ.𝐇 ⃗⃗ d’où 𝐀
⃗𝐁 = 𝛍𝐨 ( 𝟏 + 𝛞 ). 𝐇 ⃗⃗
Pour la majorité des matériaux non ferromagnétiques, on peut considérer que : ⃗⃗ = 𝝁𝒐 ( 𝟏 + 𝛞 ). 𝑯 ⃗⃗⃗ = 𝝁𝒐 . 𝑯 ⃗⃗⃗ 𝑩
car |𝛞| ≤ 𝟏𝟎−𝟒
V - 2 - 1 Aimantation rémanente Elle représente l’aimantation acquise par certaines roches ou sédiments à la suite d’un phénomène naturel et qui demeure après avoir retiré le champ magnétique appliqué. Elle est créée par les minéraux magnétiques chauffés jusqu’à leur point de Curie puis, refroidis dans un champ magnétique. Elle est essentiellement stable et qui garde la direction du champ magnétique présent au moment du refroidissement de la roche ou du sédiment. L’aimantation rémanente comprend : - Aimantation rémanente visqueuse Du fait de la viscosité magnétique du matériau, l’aimantation rémanente ne disparait pas complètement lorsque le champ magnétique utilisé est retiré. - Aimantation Thermorémanente L’aimantation thermorémanente est acquise quand un matériau ferrimagnétique ou ferromagnétique soumis à une température supérieure à sa température de Curie se refroidit dans un champ magnétique. Les roches volcaniques sont l’exemple le plus marqué de l’aimantation de ce type d’aimantation. - Aimantation rémanente détritique Ce type d’aimantation s’acquiert quand des particules des sédiments de moment magnétique non nul se rangent sur un champ magnétique pendant la phase de sédimentation soit durant leur dépôt ou encore après leurs dépôts (avant la phase consolidation).
- Aimantation rémanente cristalline La cristallisation d’un minéral en présence d’un champ magnétique provoque une orientation préférentielle des moments magnétiques des atomes sur ce champ .Une fois acquise, l’aimantation rémanente cristalline aura les caractéristiques semblables à l’aimantation thermorémanente. 11
Le sol se compose de matériaux constitués eux-mêmes de minéraux de différentes aimantations. Ces minéraux, lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique externe, s’acquirent une certaine aimantation.
V - 2 - 2 Classification magnétique des minéraux Du point de vue magnétique on classe les minéraux en 5 types. Les minéraux diamagnétiques, paramagnétiques, ferromagnétiques et antiferromagnétiques.
ferrimagnétiques,
- Corps diamagnétiques Lorsqu’on soumit ces minéraux à un champ magnétique extérieur, ils acquirent par induction une très faible aimantation négative .Lorsque le champ magnétique inducteur n’agit plus, les moments magnétiques des atomes et des molécules s’annulent. L’eau (H2O) est un minéral du type diamagnétique. - Corps paramagnétiques Les minéraux de type paramagnétique possèdent une intensité d’aimantation plus grande que celle des minéraux diamagnétiques .Contrairement, aux minéraux diamagnétiques, leur moment magnétique ne s’annule pas. L’aimantation induite acquise correspondrait donc à un arrangement des moments magnétiques élémentaires sur le champ appliqué et de même sens .Ils se caractérisent également par une susceptibilité magnétique inversement proportionnelle à la température absolue et une aimantation rémanente nulle. - Corps ferromagnétiques Les corps ferromagnétiques se caractérisent par une aimantation forte et des moments magnétiques d’orientations régulières .Ils portent des aimantations rémanentes. Les substances les plus ferromagnétiques sont le fer pur, le nickel, ou le chrome. - Corps antiferromagnétiques Ils constituent une forme de ferromagnétisme ou l’orientation des moments magnétiques est de préférence alternée. Fig.6
Fig.6
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- Corps ferrimagnétiques Les corps ferrimagnétiques ont un comportement amplement voisin des corps ferromagnétisme. Cependant, il existe dans le cristal deux types d’atomes porteurs de moments magnétiques antiparallèles qui ne se compensent pas. Les corps ferrimagnétiques peuvent acquérir une forte aimantation rémanente ou induite.fig.7
Fig.7
V–2
Susceptibilité magnétique
La prospection magnétique est sensible aux variations de susceptibilité magnétique du sous-sol. Celle-ci traduit la capacité de tout corps à acquérir une aimantation sous l’effet d’un champ magnétique. C’est donc une grandeur physique qui détermine l’interaction entre un matériau et un champ magnétique. Cette aimantation induite est proportionnelle d’un facteur appelé susceptibilité magnétique au champ magnétique .Le signal magnétique mesuré est alors la susceptibilité magnétique du sous-sol. Cette dernière se définit comme une grandeur physique complexe comportant une partie imaginaire négative. -Substances ferromagnétiques Elles comprennent le fer pur, le nickel, ou le chrome et ont une très forte susceptibilité magnétique. Elles possèdent une susceptibilité magnétique forte et positive, qui dépend de la microstructure et du champ magnétique appliqué. Les atomes ont des moments magnétiques tous parallèles. Elles ont, à température ambiante, une aimantation autonome même en absence de champ magnétique extérieur. La susceptibilité magnétique des substances ferromagnétiques augmente vite à l’approche de la température de Curie(Tc) jusqu’à arriver à son maximum ensuite s’annuler brutalement au passage de Tc. Après la température de Curie, le matériau ferromagnétique perd son aimantation et se convertit en matériau paramagnétique. La susceptibilité magnétique des substances ferromagnétiques est liée à la température de Curie 𝑻𝒄 par la formule : 𝐊
𝛞 = 𝛍𝐎 . 𝐓−𝐓
𝐜
K : constante
Donc au- delà d’une certaine température T, le matériau ferromagnétique perd toute son aimantation. A titre d’exemple, cette température est de 580° 𝑒𝑡 670° pour respectivement la magnétite et l’hématite.
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-Substances ferrimagnétiques. Elles se caractérisent par une forte susceptibilité magnétique qui dépend de la microstructure et du champ magnétique appliqué. Les atomes de ces substances ont des moments magnétiques antiparallèles. La magnétite de formule 𝐅𝐞𝟑 𝐎𝟒 est le minéral ferrimagnétique le plus répandu ,elle a une susceptibilité magnétique 𝝒 = 𝟏 à 𝟓, 𝟕 𝑺𝑰 et une température de Curie 𝑻𝒄 = 𝟓𝟖𝟎°𝒄 L’hématite ferrimagnétique de formule 𝜶−𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 a une susceptibilité −𝟑 −𝟑 magnétique 𝛞 = 𝟎, 𝟓. 𝟏𝟎 𝐒𝐈 et 𝟒𝟎. 𝟏𝟎 𝑆𝐼 et une température de Curie 𝑻𝒄 = 𝟔𝟕𝟓°𝒄. - Substances antiferromagnétiques Elles se caractérisent par une susceptibilité magnétique faible et positive. Les atomes ont des moments magnétiques parallèles et antiparallèles La maghémite antiferromagnétique de formule 𝜸𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 possède une susceptibilité magnétique 𝝒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝟐 𝐞𝐭 𝟐, 𝟓 S. I et une température de Curie 𝐓𝐜 = 𝟔𝟎𝟎°𝐜. - Substances paramagnétiques Elles ont une susceptibilité magnétique faible et positive et elles présentent un comportement de même nature que les substances ferromagnétiques, leurs moments magnétiques sont orientés aléatoirement. Les substances paramagnétiques peuvent acquérir une aimantation seulement sous l’effet d’un champ magnétique extérieur. L’aimantation disparait dès que le champ magnétique extérieur n’agit plus. Elles ne sont pas donc en mesure de garder à température ambiante une aimantation rémanente. La susceptibilité magnétique ϰ est positive et de l’ordre de 𝟏𝟎−𝟓 à 𝟏𝟎−𝟑 𝑆. 𝐼 , elle est décrite par l’équation : 𝝒 =
𝑲 𝑻 − 𝑻𝒑
𝑲 et 𝑻𝒑 dépendent de la mature du matériau et sont appelées respectivement la constante de Curie et la température de Curie paramagnétique. Le phénomène paramagnétique est remarqué dans tous les éléments (Na, Al etc.) possédant un chiffre impair d’électrons, autrement dit un moment magnétique électronique non nul. - Substances diamagnétiques Elles se caractérisent par une susceptibilité magnétique très faible et négative Leurs atomes n’ont pas de moment magnétique .Le quartz, les matières organiques, l’eau et les plastiques sont des substances diamagnétiques. Comme les substances paramagnétiques, elles ne sont pas donc en mesure de garder à température ambiante une aimantation rémanente. 14
La susceptibilité magnétique est pour : - l’eau - Bismuth - calcite Ca CO3 - quartz Si O2 - Feldspaths
ϰ = −9,05. 10−6 ϰ = −166. 10−6 ϰ = −13,8. 10−6 ϰ = −14,5. 10−6 ϰ = −12,4. 10−6
SI SI SI SI SI
L’eau , le pétrole ,l’or, le cuivre , le plomb , le quartz , le graphite , les gaz rares , le mercure et le bismuth ainsi qu’une grande majorité de composées organiques sont diamagnétiques. Pour les corps diamagnétiques et paramagnétiques la susceptibilité magnétique ⃗⃗⃗ et l’intensité du volumique est le rapport entre l’intensité d’aimantation induite, 𝐴, ⃗. champ magnétique inducteur 𝐻 𝛞 =
⃗𝑨 ⃗ ⃗𝑯 ⃗⃗
Le coefficient 𝛞 est la susceptibilité magnétique. 𝛞 > 𝟎 Pour les corps paramagnétiques. 𝛞 < 𝟎 Pour les corps diamagnétiques. Il existe également la notion de susceptibilité magnétique massique. Elle se définit par : 𝛞′ =
𝛞 𝛒
ou
𝛒:
Masse volumique.
La susceptibilité magnétique est généralement mesurée en prospection électromagnétique. Elle prend en compte tous les minéraux antiferromagnétiques, ferrimagnétiques et paramagnétiques présents dans le sol.
V-3
Perméabilité magnétique
La perméabilité magnétique (comme la susceptibilité magnétique) représente ⃗ et l’excitation magnétique 𝐻 ⃗ . Tous l’interdépendance entre le champ magnétique 𝐵 les matériaux ont une certaine perméabilité magnétique. La perméabilité magnétique est une grandeur qui représente la faculté d’un matériau donné à se laisser traverser par un champ magnétique. Elle définit donc la facilité avec laquelle les lignes de forces magnétiques peuvent s'établir dans le matériau.
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⃗ , ils acquièrent Lorsque certains matériaux sont excités par un champ magnétique 𝐻 ⃗ par la relation : une intensité d’aimantation 𝐴 reliée à 𝐻 ⃗ 𝐴 = ϰ. 𝐻 𝛞 : La susceptibilité magnétique est un paramètre important qui permet de classer les matériaux magnétiques en différentes catégories sus mentionnées. ⃗ caracterise la reponse d’un materiau à une Étant donné que le champ magnétique ⃗𝑩 ⃗⃗ , la relation entre eux est : excitation magnétique ⃗𝑯 ⃗⃗ = 𝝁𝒐 (𝑯 ⃗⃗⃗ + 𝑨 ⃗ ) = 𝝁𝒐 . (𝟏 + 𝛞). 𝑯 ⃗⃗⃗ = 𝝁 𝑯 ⃗⃗⃗ 𝑩
Avec 𝝁 = 𝝁𝒐 (𝟏 + 𝛞)
Ou 𝛍 désigne la perméabilité magnétique du matériau.Tableau.1 Matériau Eau Cuivre Vide Hydrogène Aluminium Platine Nickel Ferrite (nickel zinc) Ferrite (manganèse zinc) Acier Acier électrique Permalloy Mu-metal
Perméabilité µ[H/m] 1.2566270x10-6 1.2566290x10-6 1.2566371x10-6 1.2566371x10-6 1.2566650x10-6 1.2569701x10-6 125x10-6 20 - 800x10-6 >800x10-6
Perméabilité µ/µ0 0.999992 0.999994 (µ0 ) 1 1.0000000 1.000022 1.000265 100-600 16-640 >640
875x10-6 5000x10-6 10,000x10-6 25.000x10-6
700 4000 8000 20,000
source Wikipédia modifiée
Tableau.1
-
Perméabilité magnétique relative.
Dans l’air, la relation entre le champ magnétique et l’excitation magnétique est linéaire. On a : ⃗𝑩 ⃗ = 𝝁𝒐 . ⃗𝑯 ⃗⃗ 𝛍𝐨 : La perméabilité du vide et vaut 𝛍𝐨 = 𝟏𝟐𝟓. 𝟏𝟎−𝟔 𝐇/𝐦 La perméabilité magnétique relative (par rapport au vide) est symbolisée par µr (sans dimension). 16
µ𝑟 =
µ 𝜇𝑜
Comme µ = 𝛍𝐨 . µ𝐫 ⃗⃗ = 𝛍𝐨 . µ𝐫 . 𝐇 ⃗⃗ Alors ⃗⃗⃗ 𝐁 = 𝛍. 𝐇 𝛍 s’exprime par le produit de la perméabilité du vide 𝝁𝒐 et de la perméabilité relative µ𝐫 du matériau V - 4 Viscosité magnétique La viscosité magnétique est une propriété qui permet d’exprimer le retard lors de l’acquisition ou la perte de l’aimantation induite. Les corps les plus affectés par ce phénomène sont les corps ferromagnétiques qui perdent ou acquièrent une variation de l’aimantation avec un certain retard dépendant de la vitesse de variation du champ magnétique qui la engendré. La viscosité magnétique est liée fondamentalement à la présence de grains ferrimagnétiques. VI - SIGNAL MAGNETIQUE -
Définition du Signal magnétique
Certains matériaux géologiques ont des propriétés magnétiques plus marquées que le milieu encaissant et le signal mesuré en prospection magnétique ne peut être que le signal porteur de ces propriétés qui sont généralement la susceptibilité magnétique, type d’aimantation, la viscosité magnétique etc. Les principaux minéraux responsables du signal magnétique sont les oxydes de fer, les hydroxydes de fer et les sulfures de fer. Ce sont principalement la magnétite (𝐅𝐞𝟑 𝐎𝟒 ), la maghémite 𝜸 (𝑭𝒆𝟐 𝑶𝟑 ) , l’hématite (𝛂−𝐅𝐞𝟐 𝐎𝟑 𝑚𝑖𝑛é𝑟𝑎𝑙 𝑎𝑛𝑡𝑖𝑓𝑒𝑟𝑟𝑜𝑚𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒 ) et la greigite (𝑭𝒆𝟑 𝑺𝟒 ). VII - APPAREILS DE MESURE Comme cela fut mentionné plus haut, la prospection magnétique se base sur un principe élémentaire : la mesure des modifications locales de l’amplitude du champ magnétique terrestre et de ses composantes, dont l'unité est le Tesla(𝟏 𝑻 = 𝑲𝒈.𝑺−𝟐 . 𝑨−𝟏 ) ou nano Tesla (𝟏𝟎−𝟗 Tesla) ou le gamma 𝛄. Les appareils actuels des mesures utilisés en prospection magnétique peuvent repérer des variations locales de l'amplitude du champ très petites.
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Les instruments utilisés sont : -
Variomètre magnétique.
Ce sont des magnétomètres du type mécanique qui permettent de mesurer la variation du champ magnétique entre les stations consécutives.
-
Théodolite magnétique.
Le théodolite magnétique (instruments anciens) consiste à mesurer la déclinaison magnétique D (angle formé par la direction du pôle géographique/pôle magnétique ).La détermination du pôle géographique se fait par deux méthodes : visée sur une étoile(polaire) ou par visée sur le soleil, tandis que la détermination du méridien magnétique se fait au moyen d’une aiguille aimantée mobile sur un pivot ou d’une aiguille aimantée suspendue à un fil. -
Magnétomètre à torsion, balance de Schmidt, balance magnétique de Z.
Ces instruments permettent de mesurer la composante verticale Z du champ.
-
Q.H.M
Le Q.H.M (Quartz horizontal magnétomètre) permet de mesurer la composante horizontale du champ magnétique. -
Magnétomètres à vanne de flux(fluxgate)
C’est le premier magnétomètre électronique qui à été mis en œuvre par Victor Vacquier et ses collaborateurs. C’est un capteur qui permet de mesurer les composantes du champ magnétique terrestre dans une direction donnée. Il est basé sur l’utilisation de la saturation du flux magnétique dans les matériaux magnétiques. La composante du champ magnétique terrestre s’additionne à un champ magnétique alternatif engendré par un courant sinusoïdal qui traverse une bobine. C’est avec le magnétomètre fluxgate que fut réalisé le levé aéromagnétique mondial en 1965 pour l’exploration des grandes anomalies du champ magnétique terrestre. En exploration spatiale, un magnétomètre fluxgate triaxial à été déposé sur la surface de la lune par la station américaine Apollo 12 .Le satellite MAGSAT placé en orbite polaire basse en 1979 fut également équipé d’un magnétomètre fluxgate triaxial. -
Magnétomètre à proton (Effet overhauser)
C’est un type de capteur scalaire appelé aussi magnétomètre à précession de protons qui mesure l’intensité du champ magnétique. Cet appareil repose sur un effet complexe qui est la résonance magnétique nucléaire ou l’effet Overhauser nucléaire .Ce magnétomètre électronique a été développé à partir de 1950 et utilisé en prospection magnétique dans les années 1970.c’est un magnétomètre absolu qui 18
possède une résolution pouvant atteindre 0,1 à 0,01 nT .Le boitier du magnétomètre à proton est composé d'un flacon rempli d'eau, par exemple et entouré d’une bobine. L’opérateur fait circuler dans la bobine un courant électrique qui génère un champ magnétique plus important que le champ magnétique terrestre. Les protons de l’hydrogène d’eau contenu dans le flacon se rangent alors sur le champ magnétique généré par le courant électrique. Quand le courant électrique est rompu les protons de l’hydrogène subissent une oscillation amortie avant s’immobiliser en s’orientant sur le champ magnétique terrestre. Un système incorporé dans l’appareil permet de compter le nombre d’oscillation ce qui permet de lire directement les valeurs (en nT) sur l’écran du magnétomètre à proton.
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Magnétomètre à pompage optique (Effet de Zeeman/fréquence de Larmor)
Leur principe de fonctionnement est basé sur l’exploitation de la résonance magnétique du proton autrement dit sur la fréquence de Larmor et l’effet de Zeeman Pieter (physicien néerlandais).Ce dernier phénomène découvert en 1896 par Zeeman montre que lorsqu’un spectre atomique émis par des atomes est sous l’action d’un champ magnétique, certaines raies spectrales peuvent se fragmenter en certaines composantes décalées en fréquence et polarisées. Quant à la fréquence de Larmor (vitesse angulaire), elle caractérise la fréquence de rotation (de précession) des moments magnétiques des noyaux plongés dans un ⃗⃗ . Elle est directement proportionnelle à l’intensité du champ champ magnétique H ⃗⃗ avec un coefficient de proportionnalité 𝛄 appelé rapport gyroscopique magnétique H ⃗⃗⃗ ).Elle est utilisée pour la description du phénomène de résonnance (𝝎𝟎 = 𝛄. 𝑯 magnétique nucléaire. Les magnétomètres à pompage optique (à base de hélium, rubidium ou césium) mesurent la grandeur scalaire avec une précision pouvant atteindre jusqu’à 0,01 nT ⃗ du champ Ce sont des instruments absolus qui mesurent l’amplitude de 𝐵 magnétique et pouvant être utilisés en prospection magnétique terrestre mais également en prospection aéromagnétique. -
Magnétomètre à effet de Hall
Ce type de magnétomètre fonctionne sur le principe de la force de Lorentz. Il permet d’effectuer des mesures vectorielles du champ magnétique. -
Magnéto résistive
Son principe de fonctionnement repose sur l’effet magnéto-résistif anisotropique. Il permet d’effectuer des mesures vectorielles du champ magnétique. -
Magnétomètre super conducting Quantum interference Device (SQUID)
Ce sont les nouveaux magnétomètres qui permettent de mesurer le tenseur magnétique. Ils se basent sur l’effet Josephson. Ils permettent d’effectuer des mesures tensorielles avec une précision allant jusqu’à 0,0001 nT. 19
VIII – APPLICATIONS DU GEOMAGNETISME VIII - 1
prospection magnétique
- Principe et paramètre mesuré : mesure des anomalies du champ magnetique terrestre -Paramètre mesuré : aimantation -Origine du champ physique : naturelle La prospection magnétique est une méthode passive étant donné qu’elle mesure les modifications naturelles du champ magnétique terrestre sans essayer de le changer ou de l'amplifier. Elle mesure la perturbation spatiale apportée au champ magnétique terrestre par les contrastes d’aimantation totale créés par des hétérogénéités dans le sous-sol. Le paramètre aimantation permet de distinguer un sédiment d’un autre sédiment et ce grâce à leur contraste d’aimantation .En géologie appliquée, ces contrastes sont provoqués généralement entre le socle cristallin et les milieux sédimentaires, les coulées volcaniques, les différentes intrusions telles que les dykes etc.
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Corrections en prospection magnétique
Les mesures en prospection magnétique sont entachées par des champs de perturbations qui interfèrent en permanence avec le champ magnétique terrestre. Les données brutes de prospection magnétiques doivent subir de nombreux traitements afin d’être plus facilement interprétables. Parmi les corrections les plus significatives, il y a notamment des variations diurnes et des variations d’agitation du champ magnétique dont il faut prendre en considération surtout lorsque leurs amplitudes sont significatives. Il faut également effectuer des corrections liées à l’influence de la température, influence de la dérive instrumentale et bien d’autres. -
Interprétation
L’interprétation des résultats se fait en deux phases. -
La phase initiale, elle est qualitative
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La seconde phase appelée quantitative est la phase finale. Elle a pour but l’utiliser les méthodes d’interprétation telles que les méthodes analytiques, intégrales, graphiques, simulations par ordinateur etc. pour définir les caractéristiques (profondeur, étendue, pendage etc.) du marqueur magnétique recherché
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Applications
La prospection trouve un vaste champ d’application, notamment pour : -
Localiser d'objets ferromagnétiques enfouis (pipelines, bombes etc.), détection des sous-marins
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En archéologie .La méthode permet de localiser les anomalies induites par l’existence de vestiges archéologiques enfouis (fosses, fossés, murs, argiles cuites, forges, fours de potiers.
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Exploration minière ou elle est abondamment utilisée pour l’étude du socle.
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Environnement (décharge) et pollution pour la localisation des objets sensibles (citernes, cuves, futs, canalisations etc.
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Structures géologiques (en prospection pétrolière) pour la mise en évidence des failles, roches éruptives etc.
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génie civil pour la localisation des armatures métalliques etc.
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Levé aéromagnétique
Les mesures aéromagnétiques sont une contribution complémentaire nécessaire en géologie structurales et en prospection pétrolière. Elles aident à connaitre la profondeur des bassins sédimentaires et à mettre en évidence les structures dans le socle se trouvant en dessous de ce bassin sédimentaire, la mise en évidence des failles et pour la réalisation des cartes géologiques. Le magnétomètre de mesure est embarqué et trainé par un avion volant à une hauteur constante selon un itinéraire précis et selon une altitude de plusieurs centaines de mètres.
VIII - 2 Archéomagnétisme L’archéomagnétisme est un domaine du paléomagnétisme qui consiste à étudier les traces du champ magnétique terrestre transcrites dans les terres cuites anciennes. Il est d’un apport non négligeable permettant de connaitre le champ magnétique pendant les derniers millénaires. Ainsi, les minéraux ferromagnétique ou ferrimagnétique renfermés dans l'argile, chauffée audessus de la température de Curie, sera dépossédée de son aimantation . Lorsque la substance est refroidie à une température au-dessous de la température de Curie, elle acquiert une aimantation thermorémanente, parallèle (paléo- direction) et proportionnelle (paléo- intensité) au champ magnétique environnant de l’époque. L’archéomagnétisme est donc une méthode qui permet de dater des objets anciens en se basant sur l’enregistrement des changements du champ magnétique terrestre par les terres cuites archéologiques et par les roches volcaniques.
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VIII - 3
Paléomagnétisme
Le paléomagnétisme est une méthode magnétique qui étudie les traces transcrites par le champ magnétique terrestre dans les roches et les sédiments lors de leurs formations durant les différentes périodes géologiques de notre planète. Les roches volcaniques et certaines roches sédimentaires qui renferment des minéraux ferromagnétiques ou ferrimagnétiques sont en mesure d indiquer la direction et l’intensité du champ magnétique terrestre à une époque géologique donnée. L‘enregistrement et l’étude de ces traces du champ magnétique dans ces roches et sédiments permettent aux géophysiciens (paléomagnéticiens) d’obtenir des informations sur les reconstructions paléogéographiques, datations à partir des courbes de dérive des pôles, corrélations magnetostratigraphiques, datations et corrélations à partir des échelles des inversions etc. Le paléomagnétisme a permis de fournir des informations sur : - Le comportement passé du champ magnétique de notre planète. La reconstitution de l'inversion de polarité du champ magnétique transcrite dans les roches et les sédiments qui est utilisée comme échelle de temps (échelle géochronologique ou magnétostratigraphie ) pour les dater. La position et la reconstitution des mouvements passés des plaques lithosphériques c’est-à-dire déduire l’emplacement d’une plaque lithosphérique à une époque donnée à l’aide de la connaissance de la direction du champ magnétique acquiert à cette époque. En effet, la théorie de la dérive des continents proposée par Alfred Wegener en 1915 selon laquelle les continents étaient anciennement unis et s’étaient depuis éloignés, presque abandonnée à partir des années trente du siècle dernier, est de nouveau relancée. La reconstitution des déplacements des plaques lithosphériques, la découverte de la dérive des pôles magnétiques et l’inversion périodique du champ magnétique terrestre grâce au paléomagnétisme ont été d’un apport sans précèdent pour les spécialistes en géosciences en faveur du mobilisme et donc dans la constitution de la théorie de la tectonique des plaques. - Exploration spatiale du géomagnétisme Les satellites permettent également d’explorer le champ magnétique terrestre et des planètes. Les informations recueillies depuis l’espace fournissent une meilleure vision globale du champ magnétique et permettront de mieux comprendre le champ magnétique terrestre notamment ses variations spatiales et temporelles. Les principales explorations dédiées au géomagnétisme de l’ère spatiale sont : -
1979, Le satellite Magsat (USA) a été lancé avec à bord un magnétomètre à trois composantes .Placé sur une orbite polaire de 390-450 km, il a pour mission de réaliser la cartographie magnétique.
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1999, le satellite Oersted (Danemark) a été placé sur une orbite polaire de 500-850 km, il avait pour objectif la cartographie magnétique. Ce satellite a fourni les données précieuses sur le champ magnétique terrestre.
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2000, le satellite Champ (allemand) met sur un orbite polaire de 300- 450 km , il avait pour mission de réaliser une cartographie magnétique et gravimétrique
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2000, le satellite SAC-C (Argentine) lancé sur une orbite circulaire de 702 km : il avait pour mission de cartographier le champ géomagnétique.
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2013 Lancement d’un groupe de 3 satellites baptisé SWARM (Alpha, Bravo et Charlie) : ils sont placés à des orbites variant entre 300 et 530 km et équipés de magnétomètres vectoriel (VFM) et scalaire absolu (ASM) qui mesurent la direction du champ magnétique terrestre et son intensité. --------------------------------o O o--------------------------------------
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