Eléments de géomagnétisme

Le Géomagnétisme Etude des variations spatio-temporelles du champ de magnétique terrestre But: Intéractions noyau + couches externes Dérive des continents et mouvement des plaques Structures locales et régionales Paramètre: champ mag, susceptibilité magnétique

Le champ magnétique terrestre

Un peu d ’histoire VIième siècle avant J. C.  Les chinois IIième siècle av. J. C.  La première boussole. 500 ans ap. J. C.  Le mot "magnétisme". 1100 ap. J. C.  Le compas fait son apparition en Europe. XVI - XVII siècle Création des premiers observatoires. W. Gilbert "la Terre est une sphère aimantée ». 1700 : E. Halley propose la première carte du C.M.T. de la surface de la Terre. 1838 : K. F. Gauss: 1ière description mathématique du CMT  Origine interne. 1919 : J. Larmor : Théorie de la géodynamo. 1980 : Première mesure du vecteur C.M.T. par satellite.

Quelques définitions : Le champ magnétique est un vecteur, noté généralement Il se caractérise pas trois composantes : Hx, Hy, Hz Dans un espace à 3 dimensions, ce vecteur peut être représenté par 3 paramètres : l ’Inclinaison (I), la Déclinaison (D), l ’Intensité (H). Nord Est Verticale Ouest Sud Surface horizontale D D : angle que fait la composante horizontale de H avec le Nord géographique I I : angle que fait le C. M. avec le plan horizontal.

Carte isocline : lignes d ’égale inclinaison du C. M. T + 80° + 60° + 40° 0° - 80° - 60° - 40° -80° L ’inclinaison magnétique présente globalement une symétrie par rapport à l ’équateur Le vecteur C. M. est orienté verticalement près des pôles Nord et Sud

Carte isogonique : lignes d ’égale déclinaison du C. M. T 0° 60° N 30° N - 60° S - 30° S 120° E 180° E 60° E 60° W 120° W 180° W La déclinaison magnétique présente une certaine symétrie Nord / Sud Il existe deux pôles magnétiques : un pôle Nord, un pôle Sud.

Le Champ Magnétique de la Terre est un dipôle géocentré. Ces différentes observations conduisent à dire, comme l ’avait proposé W. Gilbert au XVIIe siècle, qu ’en première approximation : Le Champ Magnétique de la Terre est un dipôle géocentré. Pour être plus précis, on peut dire que 90% du C. M. T actuel peut Être représenté par un dipôle. Les 10% restant forme ce que l ’on appelle un champ non-dipôlaire L ’axe de ce dipôle est incliné de 11,9° par rapport à l ’axe des pôles géographiques. Document, livre de C. Larroque et J. Virieux

Le champ magnétique terrestre

Les sources du champ terrestre : (Friis-Christensen et al., 2004)

dans le temps et dans l ’espace ? Le champ évolue-t-il dans le temps et dans l ’espace ?

Low-Earth orbiting magnetic satellites MAGSAT (1979-80) ~ 350-625 km CHAMP (since 2000) ~ 400 km Ørsted (since 1999) ~ 750 km

Magnetic satellites provide global coverage of the average external field variations. EEJ variations with UT (Le Mouël et al., 2006) nT/s2

Les observatoires magnétiques

ALGERIA (with CRAAG) FRANCE CHINA (with CEA) ETHIOPIA (with GOAAU) FR. GUYANA (with CNES) LIBANON (with CNRS) RUSSIA (with IPE RAS) TAHITI (with CEA-DASE) VIETNAM (with VNSC) CENTRAFRIQUE SENEGAL ARCHIPEL CROZET ILE AMSTERDAM ILES KERGUELEN MADAGASCAR (with IOGA) TERRE ADELIE

Addis Ababa (Ethiopia, 1997) Qsaybeh (Lebanon, 2000) Phu Thuy (Vietnam, 1993) Dumont d’Urville (Antarctica, 1957)

Absolute measurements The Chambon-la-Forêt magnetic observatory Vector magnetometer Absolute measurements Scalar magnetometer

INTERMAGNET’s requirements Vector magnetometer Resolution: 0,1 nT Dynamics: 6000 nT for the auroral & equatorial zones 2000 nT for the mid-latitude zones Passband: 0 to 0,1 Hz Sampling freq.: 0,2 Hz (5 s) Thermal stability: 0,25 nT / ° Long term stability: 5 nT / year Accuracy: ±10 nT for 95% of reported data ±5 nT for definitive data Scalar magnetometer Sampling freq.: 0,033 hertz (30 sec) Accuracy: 1 nT

temps à l’observatoire de Chambon la Forêt L ’observation dans le temps à l’observatoire de Chambon la Forêt Document D. Gibert Le C.M.T actuel évolue continuellement dans le temps sur des constantes de temps très différentes (seconde, heure, jour, année,…)

Declination in Paris since 1540 1675 2014 degrees Parc Saint-Maur (1883-1900) Val Joyeux (1901-1935) Chambon-la-Forêt (1936 – today)

Les éléments du champ

Le champ magnétique terrestre Déclinaison Inclinaison Intensité

L ’origine du champ géomagnétique Le champ principal est d’origine interne. Il trouve sa source dans les mouvements de matière situés dans la partie liquide du noyau Plusieurs raisons : Le noyau est constitué de Fer à 80 % (+ S, Ni, O, Si) Il est structuré en 2 parties : une graine solide et une enveloppe liquide. La graine cristallise au dépend de la partie liquide. Cette cristallisation s’accompagne de mouvements de matière. Les températures élevées dans le noyau (4000° - 5000° C) peuvent maintenir le métal du noyau à l’état fondu malgré les fortes pressions qui y règnent (environ 200 GPa).

Quelle est la nature des forces capables de générer et maintenir les mouvements de matière du noyau ? Les gradients thermiques qui génèrent des mouvements de convection. Les gradients de concentration qui résultent de la cristallisation de la graine au dépend du noyau liquide. La rotation de la Terre. Elle a pour conséquence de structurer l’écoulement, mais pas de l’entretenir. Document livre de C. larroque et J. Virieux

L’ensemble de ces mouvements crée le C.M.T par combinaison d’un effet dynamo et d’un effet électroaimant L ’effet dynamo crée un courant électrique par induction au sein d’un conducteur se déplaçant en présence d ’un champ magnétique produit par un aimant permanent. Un électroaimant génère un champ magnétique à partir d’un courant circulant dans un conducteur. La combinaison des deux effets permet de produire et d’entretenir un Champ Magnétique Terrestre (Larmor, 1919).

pour donner naissance à l’aimantation de la roche. Le magnétisme des roches Dans une roche les minéraux magnétiques se répartissent suivant une matrice de grains dits magnétiques. Sous l’effet d’un champ extérieur ces grains s’orientent collectivement pour donner naissance à l’aimantation de la roche.

La valeur de cette aimantation dépend fortement de la présence des minéraux magnétiques qui sont : Diamagnétiques : Le corps prend une aimantation en sens inverse du champ appliqué (c < 0). Cette aimantation est très faible. L'eau, l'air, la silice, la calcite,…. Elle disparaît lorsque le champ est interrompu (absence de rémanence). Paramagnétiques : Le corps acquiert une aimantation faible dans le sens du champ appliqué. Pas de rémanence (calcium, oxydes de Nickel). Ferromagnétiques : L'aimantation du corps est forte et se caractérise par un phénomène de rémanence. Ces corps ont donc la capacité d'enregistrer l'histoire magnétique. La prospection magnétique s’adresse aux corps ferromagnétiques

Les propriétés magnétiques Le diamagnétisme (k<0) Le paramagnétisme (k>0) Le ferromagnétisme

Some Diamagnetic Minerals Susc., SI* quartz -6.3E-6 calcite -4.8E-6 halite -6.5E-6 galena -4.3E-6 sphalerite -3.3E-6

Some Paramagnetic Minerals Susc., SI* fayalite 1.3E-3 pyroxene 9.2E-4 amphiboles 1.6-9.4E-4 biotite 6.7-9.8E-4 garnet 0.4-2.0E-3

Température de Curie : Tc Il existe une température au-delà de laquelle les corps ferromagnétiques perdront toute leur aimantation. Température de Curie : Tc M T° Température De Curie Corps T° (°C) magnétite 580° Hématite 670° Goetite 150° Température dans la Terre Supérieure à 1200° C. Et donc ?

IGRF 10 th generation (revised 2005) IGRF-10 1900.0-2010.0 Full name Short name Valid for Definitive for IGRF 10 th generation (revised 2005) IGRF-10 1900.0-2010.0 1945.0-2000.0 IGRF 9th generation (revised 2003) IGRF-9 1900.0-2005.0 IGRF 8th generation (revised 1999) IGRF-8 1945.0-1990.0 IGRF 7th generation (revised 1995) IGRF-7 1900.0-2000.0 IGRF 6th generation (revised 1991) IGRF-6 1945.0-1995.0 1945.0-1985.0 IGRF 5th generation (revised 1987) IGRF-5 1945.0-1980.0 IGRF 4th generation (revised 1985) IGRF-4 1965.0-1980.0 IGRF 3rd generation (revised 1981) IGRF-3 1965.0-1985.0 1965.0-1975.0 IGRF 2nd generation (revised 1975) IGRF-2 1955.0-1980.0 - IGRF 1st generation (revised 1969) IGRF-1 1955.0-1975.0

gravi magnétisme Anomalie magnétique d’un dike (P. Sailhac, 1999)

Solutions d’Euler (P. Sailhac, 1999)