Du cristal aux plaques : Processus et propriétés physiques Les fabriques magnétiques des roches Pierre Camps Bat 22, 3 eme Étage;

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1 Du cristal aux plaques : Processus et propriétés physiques Les fabriques magnétiques des roches Pierre Camps Bat 22, 3 eme Étage; Email : camps@gm.univ-montp2.fr

2 En guise d’introduction….Les Fabriques Magnétiques : Ce sont des techniques parmi beaucoup d’autres qui permettent de mesurer la fabrique des roches. Donc de résoudre un certain nombre de problèmes géologiques. Rapides Peu coûteuses Précises Et donc applicables à de plus grandes échelles que les autres techniques (microscopie optique ou électronique…..) Mais qui présentent un grand nombre d’avantages…..

3 1. Définitions 2. Comportement magnétique de la matière 3. Les minéraux magnétiques. 4. Anisotropie magnétique et analyse. 5. Fabrique magnétique des sédiments et des roches éruptives. 6. Fabrique magnétique secondaire dans les roches. PLAN

4 1/ Définitions : Moment Magnétique

5 1/ Définitions ….(suite) Champ Magnétique : force qui s’applique sur une charge unitaire magnétique positive (ex. Boussole) Il s’agit d’un champ vectoriel. En tout point P du domaine de définition on associe un vecteur !!

6 Aimantation (intensité magnétique) 1/ Définitions ….(suite)

7 Aimantation induite : Elle est fondamentalement réversible et elle disparaît en l’absence de champ. Elle existe dans toutes les matières !!

8 1/ Définitions ….(suite): Aimantation rémanente : Elle est conservée lorsque l’on coupe le champ C’est l’enregistrement des champs magnétiques passés qui ont agit sur le matériel !!

9 2/ Comportement magnétique de la matière: Origine : Moment magnétique atomique (M a ) Notion de mécanique quantique Comparaison avec les orbites planétaires Le moment magnétique d’un corps dépends du degré d’alignement des moments magnétiques individuels. Il existe 3 niveaux d’organisation éventuellement superposés Principe d’exclusion de Pauli : Chaque orbite électronique peut être remplie jusqu’à 2 électrons ayant des spins qui s’opposent.

10 2.1/ Organisation à l’échelle atomique. 1er Cas : Atomes sans moments permanents, Ex : Si 4+, O 2-, Ti 4+ En présence d’un champ, modification des orbites électroniques de manière à créer un moment magnétique qui va s’opposer au champ appliqué. Réaction de Diamagnétisme Les corps composés d’atomes sans moments permanents sont eux aussi diamagnétiques. Exemple : Quartz, l’eau, l’air, la calcite etc….

11 2 eme Cas : Atomes ayant un moment permanent Ex : Fe 2+, Fe 3+, Mn 3+,Cr 3+ Paramagnétisme Les corps pour lesquels il n’ y a pas d’interactions entre moments adjacents sont paramagnétiques. Exemple la plupart des silicates. Biotite, Fayalite etc…

12 2.2/ Organisation à l’échelle moléculaire. Pour les solides qui contiennent des atomes avec un moment magnétique permanent mais qui présentent des interactions entre proches voisins, il y a une auto-organisation des moments atomiques. Ferromagnétisme (sl) (sensu lato) Apparition d’une aimantation spontanée qui existe en l’absence de tout champ. Le ferromagnétisme (sl) se superpose au paramagnétisme

13 Ferromagnétisme (sl) ….suite K positive et forte K varie a la fois avec T et H Comportement complexe de J avec T et H Exemple : Toute les roches qui contiennent, même en infime Proportion des minéraux comme la magnétite, l’hématite, les pyrrhotites

14 Les différents types d’auto-organisation Ferromagnétisme (ss) (sensu stricto) : Ex. Le Fer, le Nickel Ferrimagnétisme : Ex. la magnétite (Fe 3 O 4 )

15 Les différents types d’auto-organisation Anti-Ferromagnétisme : Ex. L’ilménite (FeTiO 3 ) Anti-Ferromagnétisme imparfait: Ex. l’hématite (Fe 2 O 3   )

16 2.3/ Organisation à l’échelle du minéral. Question: Pourquoi est-il facile de trouver du fer non aimanté ? Réponse : Organisation en domaine magnétiques (Pierre Weiss, 1906)

17 Processus d’aimantation d’un grain polydomaine

18 Observation des domaines magnétiques

19 En résumé : Organisation en fonction de la taille des grains (à T constante) Magnétite monodomaine 0.03 - 0.1  m (grain cubique), 1  m grains allongés Hématite monodomaine 0.03 -15  m, 100  m grains allongés

20 3/ Les minéraux magnétiques. Définition: Minéraux susceptibles de porter une aimantation rémanente. Tous sont ferrimagnétiques (sauf l’hématite qui est antiferro.) 2 familles : Les spinelles et les Mx Rhomboédriques

21 3.1/ Les spinelles. Système cristallin: Cubique Formule générale : M 2+ R 2 3+ O 4 2- avec M 2+ = Fe 2+, Mn 2+, Mg 2+ R 3+ = Al 3+, Cr 3+, Fe 3+ Organisation magnétique en 2 sous réseau, d’ou soit antiferromagnétique, soit ferrimagnétique

22 1er Cas : Les spinelles non lacunaires Configuration stoechiométrique : 24 cations pour 32 oxygènes Magnétite : Fe 3 O 4 Ulvospinelle : Fe 2 TiO 4 Titanomagnétites : (1-x) Fe 3 O 4, x Fe 2 TiO 4

23 Propriétés magnétiques des titanomagnétites (ss)

24 2eme Cas : Les spinelles lacunaires La Maghémite :  Fe 3 O 4 Les Titanomaghémites : Résultent de l’oxydation des titanomagnétites La magnétite est oxydée en maghémite en : changeant la valence des 2/3 du Fe 2+ en Fe 3+ et en soustrayant simultanément 1/3 du Fe 2+ originel. Résultent de l’oxydation à basse température des spinelles stoechiométriques - de 24 cations pour 32 oxygènes

25 Pour 0.45 < y < 0.55, les Ilmeno-Hematites peuvent présenter des phénomènes d’autoinversion de l’aimantation Hématite :  Fe 2 O 3 Antiferro imparfait Point de Curie 675 deg. Monodomaine < 15  m Ilménite : FeTiO 3 Point de Curie -218 deg. C 3.2/ Les minéraux rhomboédriques. Ilmeno-Hématites : (1-y) Fe 2 O 3, y FeTiO 3

26 Propriétés magnétiques des Ilmeno-hématites (ss)

27 Les pyrrhotites : Fe 1-x S pour 0 < x < 1/7 Système hexagonal, ferrimagnétisme Point de Curie variant de 200 a 300 deg. Monodomaine < 2  m Goethite :  -FeOOH Système orthorhombique, ferrimagnétisme faible Point de Curie entre 60 et 170 deg Chauffé à 200 deg, elle se déshydrate en hématite 3.3/ Autres minéraux magnétiques. Lepidocrocite:  -FeOOH Chauffé à 200-250 deg, se transforme en maghemite