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Linstrumentation en Paléomagnétisme et en Magnétisme des Roches Rappel sur le (Paléo) Magnétisme Origine du magnétisme induit et rémanent Stabilité et.

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1 Linstrumentation en Paléomagnétisme et en Magnétisme des Roches Rappel sur le (Paléo) Magnétisme Origine du magnétisme induit et rémanent Stabilité et fidélité Principes de la mesure daimantations mesure de champ, de flux, de force Instruments de Mesure et danalyse Aimantation rémanente Minéralogie magnétique Anisotropie magnétique Développement instrumental Exemple du « TRIAXE » Maxime LeGoff, Equipe de Paléomagnétisme de lIPGP

2 LE CHAMP MAGNÉTIQUE DE LA TERRE N magn. F D I Bas N géo. E

3 PCmovie.mov Application à la reconstitution paléo-continentale

4 Applications à larchéologie : datation ou chronologie doccupation Nord I = 0° I = 60° Est Ouest N. Warmé

5 Moment et susceptibilité magnétiques M = v (J r + H ) DEFINITIONS et UNITES Volume (v) Induction et Champ dans le vide B = µ 0 H 50 µT 40 A/m Champ (H ou B) Moment (M i + M r ) A m² A / m sans T A / m

6 Source du magnétisme de la matière : latome. moment orbital et moment de spin de lélectron. Les spins appariés sannulent exactement. RAPPEL (Le magnétisme du noyau est négligeable) Moment orbital : DIAMAGNETISME (propriété générale des atomes) Spins non appariés : PARAMAGNETISME PAS DE REMANENCE

7 Cr Mn Fe Co Ni H He le FER doté de propriétés magnéto-cristallines remarquables : les distances inter-atomiques de la maille cristalline favorisent des interactions assez fortes pour aligner tous les spins (3d) célibataires des atomes voisins parallèlement entre eux. Cest le FERROMAGNETISME Volumes cristallins organisés en réseaux et sous-réseaux magnétiques, aimantés suivant des axes définis par la géométrie cristalline (énergie magnéto-cristalline), ou par la forme macroscopique du volume (effet du champ démagnétisant).

8 Arrangement des sous réseaux : aimantation spontanée Agitation thermique : diminution puis disparition de laimantation spontanée Js. Température de Curie Tc : au dessus de Tc, devient paramagnétique Autres températures de transition, Morin, Verwey, etc. Anti-ferromagnétique Js = 0 Ferromagnétique Js Ferrimagnétique Js Anti-ferromagnétique Imparfait (canté) Js

9 Taille du grain Très petit Agitation thermique dominante, comportement paramagnétique : SUPER PARAMAGNETIQUE (SP) Energie Magnéto-cristalline dominante, basculement daxes : MONO-DOMAINE (MD, SD) Plus grand Encore Plus grand Energie Magnéto-cristalline dominante, apparition de PAROIS mobiles : POLY-DOMAINES (PD, MD) J H J H perpendiculaire J H parallèle Réversible seulement (avec saturation) Réversible ET Irréversible J H rotation basculement Déplacement et blocage intermédiaire des parois. Rotations

10 Js Laimantation spontanée est attirée dans la direction du champ magnétique et revient dans sa position initiale quand le champ sannule. Pour un grand nombre de grains de ce type, le résultat global est une aimantation induite seule croissant avec le champ jusquà la saturation

11 Laimantation spontanée est là aussi attirée dans la direction du champ magnétique mais après un seuil, bascule dans la direction opposée à sa position initiale et reste inversée quand le champ sannule. Cest le processus à lorigine de l aimantation rémanente dans les grains monodomaines Le chauffage diminue considérablement la valeur du champ critique de renversement. A la température ambiante, disons moins de 80°C, un champ de lordre de plusieurs fois le champ terrestre a peu dinfluence.

12 Energie magnéto-cristalline, énergie dagitation thermique, énergie de champ extérieur se conjuguent pour caractériser un grain magnétique et définir ses paramètres critiques (Néel,1949): Température(s) de blocage Champ(s) de blocage Temps de relaxation La direction daimantation dun grain reste rigidement « collée » à lune des directions de facile aimantation, cest le gage dune stabilité quasi indestructible.

13 Cest grâce à la loi des grands nombres, par dispersion isotrope dune myriade de ces grains dans notre roche, que la résultante vectorielle devient fidèlement représentative du champ magnétique qui régnait au moment du processus daimantation de la roche

14 Dispersion inhomogène des grains anisotropie structurale Laimantation résultante M est déviée de la direction du champ agissant H. La susceptibilité magnétique (M = H) nest plus un scalaire mais un tenseur.

15 Aimantation détritique particules aimantées (noir) fond calme Bioturbation Compaction

16 Bas N E Exemple de 3 aimantations juxtaposées Moment résultant

17 Magnétite Hématite T ambiante Modèle qualitatif du processus daimantation dune roche Diagramme simplifié, transposé de la théorie de Néel (1949), daprès Daly, 1981

18 Magnétite Hématite T ambiante Modèle qualitatif de désaimantation dune roche

19 Susceptibilité en champ faible Induite à saturation en champ fort Température 20°C Para-dia magnétisme susceptibilité initiale Hc Jrs Hcr Js Viscosité magnétique Aimantation Anhystérétique effets de pression Cycles à chaud ou à froid Susceptibilité / fréquence Diffraction rayons X, neutrons effet Mössbauer etc. Paramètres caractéristiques de la minéralogie magnétique

20 Avant tout, il faut aller récolter les échantillons ! Des petits ou des gros… Tous convenablement orientés sur le terrain

21 BLINDAGE ET BOBINES DE CHAMP

22 Blindage magnétique Concentration des lignes de force dans lépaisseur de la tôle ?

23 Compensation de « leffet de bouts » Exemple du gros four darchéointensité : Dia 14 cm, long 36 cm Ajout de ~3.5 cm (1/2 rayon): zone à ±1% passe de 10 cm à 27 cm

24 Principes de la mesure daimantations mesure de champ, de flux, de force exemples dinstruments

25 MESURE DE CHAMP r M B=µ 0 /4 2 M/r 3 B=µ 0 /4 M/r 3 Le champ B diminue très rapidement, comme linverse du cube de la distance Dipôle Capteur à aimants suspendus, astatique Bx Echantillon centré Sur laimant central X Y Z M -M/2 Déviation du spot sur la règle

26 courant dexcitation fréquence F Magnétomètre à fluxgate dans blindage (LETI) Blindage en mumétal Echantillon cylindrique Axe de mesure du fluxgate Champ H Tension de sortie fréquence 2F, proportionnelle à H

27 Exemple dapplication récente des fluxgates

28 Ordres de grandeur du champ B à 3 cm du centre dun échantillon standard cylindrique ~10 cm 3 Roches volcaniques et argiles cuites : à 10 A/m de 3 à 300 nT Roches sédimentaires : A/m et (beaucoup) moins inférieur à 0.3 nT Le bruit de fond magnétique (hors orages) est souvent de quelques dizaines de nT dans les zones calmes faiblement urbanisées (Parc St-Maur, p. ex.), ce que lon retrouve aussi dans une chambre blindée en pleine ville, à proximité du métro, comme dans les sous-sols de Jussieu.

29 B ext MESURE DYNAMIQUE DE FLUX

30 G z = G y = 0 G x <> 0 = G x M xy cos t e = G x M xy sin t w e ROTATION Sensible à B ext Insensible à B ext Les bobines B 2 diminuent la sensibilité au centre denviron 1/8ème

31 Bobines principales Bobines de compensation Gros inductomètre tournant 300 tr/mn (5Hz) Echantillon 12 cm de côté, 2 kg Inductomètre tournant JR tr/mn (90Hz) Echantillon 10 cm3, 25 g Blindage Bobines ouvertes

32 Le long de laxe X G z (x) = G y (x) = 0 G x (x) = f( x ) = G x (x) M x e = M x (d G x / dx) (dx / dt) TRANSLATION - VIBRATION e GxGx Le long de laxe X G x (x) = G y (x) = 0 G z (x) = f( x ) = G z (x) M z e = M z (d G z / dx) (dx / dt) GzGze Insensibles à B ext

33 5 cm Exemple dinductomètre vibrant (35 Hz, 4mm) pour obtenir des cycles dhystérésis, avec des petits échantillons cylindriques (dia 6mm, long 6mm) chauffés jusquà 600°C Tige porte- échantillon

34 Sensibilité des capteurs à bobines. Laugmentation du nombre de spires, qui augmente proportionnellement la sensibilité, conduit à une augmentation de la résistance du circuit, ce qui augmente aussi le bruit thermique et lencombrement... --> résistance du cuivre limitée à quelques kilo Ohms --> préamplificateurs à faible bruit --> détection synchrone à partir dune référence de phase du mouvement (rotatif ou alternatif) On obtient des niveaux de lordre de quelques dizaines de nano Volts à des fréquences entre 5 et 100 Hz. Ces sensibilités correspondent à létude dune assez grande majorité des roches.

35 Doigt chaud isolant de lhélium liquide MESURE STATIQUE DE FLUX SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) La bobine entourant léchantillon transmet le flux au Squid

36 MESURE DE FORCE (aimantation induite en champ fort) Balance de Curie Z X Mx F B F z = M x dB x /dz Zone de champ B à fort gradient transversal Un champ alternatif à fort gradient axial (b x ) est superposé au champ continu Bx Micromag B b vibration Détecteur piézo-électrique F Mx F x = M x db x /dx X

37 Principe de la Détection Synchrone Référence Signal Intégration Multiplication

38 Instruments danalyse Aimantation rémanente champs alternatifs chauffage en champ nul dissolution chimique Minéralogie magnétique Anisotropie magnétique

39 MESURE DE SUSCEPTIBILITE MAGNETIQUE v~ m = h v h a b Deux bobines identiques : G a = G b = G i = I sin t -i h = (G/µ 0 ) I sin t e volume v e = v (G 2 /µ 0 ) I cos t

40 Appareil de mesure de la variation thermique de la susceptibilité Le Four avec léchantillon de poudre est introduit dans la bobine à intervalles réguliers. Le « zéro » est fait avant et après chaque mesure.

41 Développement instrumental Exemple du « TRIAXE » Instrument principalement destiné à la détermination des archéo/paléo-intensités Mesure simultanée des trois composantes Sensibilité nécessaire pour au moins les terres-cuites Chauffage rapide jusquà 670°C Application dun champ faible dans toutes les directions Stabilité meilleure que 1% sur plusieurs heures Automatisation maximale des expériences

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48 Mesure de laimantation à haute température Chauffer de T amb à T 1 (H=0)

49 Chauffer de T 1 à T 2 (H=0) Mesure de laimantation à haute température

50 Refroidir jusquà T1 et Chauffer de T 1 à T 2 (H=0) Mesure de laimantation à haute température

51 Hlab = 70µT Mesure de laimantation à haute température

52 Refroidir de T 2 à T 1 (H = 70µT) Mesure de laimantation à haute température

53 H lab = 0 Mesure de laimantation à haute température

54 Chauffer de T 1 à T 2 (H=0) Mesure de laimantation à haute température

55 T i, (°C) R, R (µT) exemple de résultat, le champ ancien est donné par R (40µT) La courbe R est un paramètre qui concerne la vitesse de refroidissement de la céramique dans le four de lépoque

56 Variation de lintensité du champ magnétique terrestre en Mésopotamie durant 4 millénaires avant JC

57 Autres programmes instrumentaux au laboratoire Etudes des effets de pression avec cellules de diamant Installation dun nouvel instrument danalyse de minéralogie magnétique Multi usage à SQUID Mise au point dun micromagnétomètre en vue de visualiser laimantation des particules sub-millimétriques dans des tranches fines de roches

58 Pour terminer... Laimantation des roches naturelles et des terres cuites par lhomme est la mémoire quasi infaillible du champ magnétique terrestre, et donc du fonctionnement de la dynamo géomagnétique. Pour lire les pages de cette « magnétothèque », les laboratoires de paléomagnétisme ont développé depuis près dun siècle un grand nombre dinstruments originaux, dont le magnétomètre à SQUID est un des fleurons. Les tendances actuelles se poursuivent dans deux voies : 1) la connaissance de plus en plus approfondie de la physique des minéraux magnétiques et 2) une automatisation maximales des mesures et analyses « de routine » pour affiner le maillage spatial et temporel de la base de données paléomagnétique.

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61 Correction de lanisotropie

62 R(T i ) = H lab * 1(T i ) / 5(T i ) Remaining NRM ( 1) and TRM ( 5) fractions between Ti and T2 R ratio Lost NRM ( 1) and TRM ( 5) fractions between T1 and Ti R ratio TiTi T 1 = 150°C T 2 = 450°C Two possibilities to derive intensity data NRM TRM

63 R(T i ) = H lab * 1(T i ) / 5(T i ) 1 T i = 300°C T 1 = 150°C 5 T 2 = 450°CT i = 200°C 51 NRM (1) et TRM (5) restantes entre Ti and T2 rapport R NRM (1) et TRM (5) perdues entre T1 and Ti rapport R Deux possibilités de calcul de lintensité

64 MESURE DE CHAMP r M B=µ 0 /4 2 M/r 3 B=µ 0 /4 M/r 3 Le champ B diminue très rapidement, comme linverse du cube de la distance Dipôle Capteur à aimants suspendus, astatique Bx Echantillon centré Sur laimant central X Y Z M -M/2 Déviation du spot sur la règle 50cm

65 Magnétite Hématite T ambiante Modèle qualitatif de désaimantation dune roche

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