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L’instrumentation 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 d’aimantations• mesure de champ, de flux, de force
Instruments de Mesure et d’analyse• Aimantation rémanente• Minéralogie magnétique• Anisotropie magnétique
Développement instrumental• Exemple du « TRIAXE »Maxime LeGoff,
Equipe de Paléomagnétisme de l’IPGP
LE CHAMPMAGNÉTIQUEDE LA TERRE
Nmagn.
F
D
I
Bas
Ngéo.
E
PCmovie.mov
Application à la reconstitution paléo-continentale
Applications à l’archéologie : datation ou chronologie d’occupation
N
Nord
I = 0°
I = 60°EstOuest
N. Warmé
Moment et susceptibilité magnétiques
M = v (Jr + H )
DEFINITIONS et UNITES
Volume (v)
Induction et Champ dans le vide
B = µ0 H
50 µT <=> 40 A/m
Champ (H ou B)
Moment (Mi + M
r)
A m²
A / m
sans
T A / m
Source du magnétisme de la matière : l’atome.moment orbital et moment de spin de l’électron.
Les spins appariés s’annulent exactement.
RAPPEL
(Le magnétisme du noyau est négligeable)
Moment orbital : DIAMAGNETISME (propriété générale des atomes)
Spins non appariés : PARAMAGNETISME
PAS DE REMANENCE
Cr Mn Fe Co NiH 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. C’est 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).
Arrangement des sous réseaux : aimantation spontanée
Agitation thermique : diminution puis disparition de l’aimantation spontanée Js.Température de Curie Tc : au dessus de Tc, devient paramagnétiqueAutres températures de transition, Morin, Verwey, etc.
Anti-ferromagnétique
Js = 0
Ferromagnétique
Js
Ferrimagnétique
Js
Anti-ferromagnétiqueImparfait (canté)
Js
Taille du grain
Très petit
Agitation thermiquedominante, comportement
paramagnétique :SUPER PARAMAGNETIQUE (SP)
Energie Magnéto-cristallinedominante, basculement d’axes :
MONO-DOMAINE (MD, SD)
Plus grandEncore
Plus grand
Energie Magnéto-cristallinedominante, apparition de
PAROIS mobiles :POLY-DOMAINES (PD, MD)
J
H
J
H perpendiculaire
J
H parallèle
Réversibleseulement
(avec saturation)
Réversible ET Irréversible
J
H
rotation
basculement
Déplacement etblocage intermédiaire
des parois.Rotations
JsL’aimantation spontanée
est attirée dans la directiondu champ magnétique
et revient dans sa positioninitiale quand le champ
s’annule.Pour un grand nombre de
grains de ce type, le résultat global est une aimantation
induite seule croissant avec le champ jusqu’à la saturation
L’aimantation spontanéeest là aussi attirée dans la
direction du champ magnétique mais après un seuil, bascule
dans la direction opposéeà sa position initiale et reste
inversée quand le champs’annule.
C’est le processus à l’originede l ’aimantation rémanente
dans les grains monodomaines
Le chauffage diminue considérablement la valeur du champ critique derenversement. A la température ambiante, disons moins de 80°C, un champde l’ordre de plusieurs fois le champ terrestre a peu d’influence.
Energie magnéto-cristalline, énergie d’agitation 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 d’aimantation d’un grain reste rigidement « collée »à l’une des directions de facile aimantation,
c’est le gage d’une stabilité quasi indestructible.
C’est grâce à la loi des grands nombres, par dispersion isotrope d’une myriade
de ces grains dans notre roche, que la résultante vectorielle devientfidèlement représentative du champ magnétique qui
régnait au moment du processus d’aimantation de la roche
Dispersion inhomogène des grains anisotropie structurale
L’aimantation résultante M est déviée de la direction du champ agissant H. La susceptibilité magnétique (M = H) n’est plus un scalaire mais un tenseur.
Aimantation détritique
particules aimantées (noir)
fond calme
Bioturbation
Compaction
Bas
N
E
Exemple de 3 aimantations juxtaposées
1
2
3
Moment résultant
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50Champ de "blocage" à 20°C (mT)
Tem
pér
atu
re d
e "b
loca
ge"
(°C
)
Magnétite
Hématite
T ambiante
Modèle qualitatif du processus d’aimantation d’une roche
Diagramme simplifié, transposé de la théorie de Néel (1949), d’après Daly, 1981
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50Champ de "blocage" à 20°C (mT)
Tem
pér
atu
re d
e "b
loca
ge"
(°C
)
Magnétite
Hématite
T ambiante
Modèle qualitatif de désaimantation d’une roche
Susceptibilité en champ faible
Induite àsaturation en
champ fort
Température Température20°C 20°C
Para-dia magnétisme
susceptibilité initiale
Hc
Jrs
Hcr
Js
Viscosité magnétiqueAimantation Anhystérétique
effets de pression Cycles à chaud ou à froidSusceptibilité / fréquence
Diffraction rayons X, neutrons effet Mössbauer
etc.
Paramètres caractéristiques de la minéralogie magnétique
Avant tout, il faut aller récolter les échantillons !
Des petitsou des gros…
Tous convenablementorientés sur le terrain
BLINDAGE ET BOBINES DE CHAMP
Blindage magnétique
Concentration des lignes de force
dans l’épaisseurde la tôle
?
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Distance du centre (cm )
-3%
0%
3%
5%
8%
10%
Compensation de « l’effet de bouts »
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Distance du centre (cm )
-3%
0%
3%
5%
8%
10%
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Distance du centre (cm )
-3%
0%
3%
5%
8%
10%
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Distance du centre (cm )
-3%
0%
3%
5%
8%
10%
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Distance du centre (cm )
-3%
0%
3%
5%
8%
10%
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Distance du centre (cm )
-3%
0%
3%
5%
8%
10%
Exemple du gros four d’archéointensité : Dia 14 cm, long 36 cm
Ajout de ~3.5 cm (1/2 rayon):
zone à ±1% passe de
10 cm à 27 cm
Principes de la mesure d’aimantations• mesure de champ, de flux, de force• exemples d’instruments
MESURE DE CHAMP
r
M
B=µ0/4 2 M/r3
B=µ0/4 M/r3
Le champ B diminue très rapidement, comme l’inverse
du cube de la distance
Dipôle
Capteur à aimants suspendus,
astatique
Bx
Echantillon centréSur l’aimant central
XY
Z M
-M/2
-M/2
Déviation du spot sur la règle
courant d’excitationfréquence F
Magnétomètre à fluxgate dans blindage (LETI)
Blindage en mumétal
Echantillon cylindrique
Axe de mesure du
fluxgate
Champ H
Tension de sortiefréquence 2F,
proportionnelle à H
Exemple d’application récente des fluxgates
Ordres de grandeur du champ B à 3 cm du centre d’un échantillon standard cylindrique ~10 cm3
Roches volcaniques et argiles cuites : 10-2 à 10 A/mde 3 à 300 nT
Roches sédimentaires : 10-3 A/m et (beaucoup) moinsinférieur à 0.3 nT
Le bruit de fond magnétique (hors orages) est souvent de quelques dizaines de nT dans les zones calmes faiblementurbanisées (Parc St-Maur, p. ex.), ce que l’on retrouve aussi
dans une chambre blindée en pleine ville, à proximité dumétro, comme dans les sous-sols de Jussieu.
X
Y
Z
i
e
C
/dt-de
ii /)(BG
)S()(
extC
BMGBext
MESURE DYNAMIQUE DE FLUX
X
Y
Z
Gz = Gy = 0Gx <> 0
= Gx Mxy cos t
e = Gx Mxy sin t
w
eROTATION
Sensible àBext
R
2R
N spires
N/4 spires
B1 B'1
B2 B'2
Insensible àBext
Les bobines B2 diminuentla sensibilité au centre
d’environ 1/8ème
Bobines principales
Bobines de compensation
Gros inductomètre tournant300 tr/mn (5Hz)
Echantillon 12 cm de côté, 2 kg
Inductomètre tournant JR55400 tr/mn (90Hz)Echantillon 10 cm3, 25 g
Blindage
Bobinesouvertes
X
Y
Z
Le long de l’axe XGz(x) = Gy(x) = 0
Gx(x) = f(x)
= Gx(x) Mx
e = Mx (dGx / dx) (dx / dt)
TRANSLATION - VIBRATION
e
Gx X
YZ
Le long de l’axe XGx(x) = Gy(x) = 0
Gz(x) = f(x)
= Gz(x) Mz
e = Mz (dGz / dx) (dx / dt)
Gze
Insensibles àBext
5 cm
Exemple d’inductomètre vibrant (35 Hz, 4mm) pour obtenir des cycles d’hystérésis, avec des petits échantillons cylindriques
(dia 6mm, long 6mm) chauffés jusqu’à 600°C
Tige porte-échantillon
Sensibilité des capteurs à bobines.
L’augmentation du nombre de spires, qui augmenteproportionnellement la sensibilité, conduit à une
augmentation de la résistance du circuit, ce qui augmente aussi le bruit thermique et l’encombrement...
--> résistance du cuivre limitée à quelques kilo Ohms--> préamplificateurs à faible bruit--> détection synchrone à partir d’une référence de phase du mouvement (rotatif ou alternatif)
On obtient des niveaux de l’ordre dequelques dizaines de nano Volts à des fréquences
entre 5 et 100 Hz.
Ces sensibilités correspondent à l’étude d’une assez grande majorité des roches.
Doigt chaudisolant de l’héliumliquide
MESURE STATIQUE DE FLUXSQUID (Superconducting QUantum Interference Device)
La bobine entourant l’échantillon transmet le flux au Squid
MESURE DE FORCE (aimantation induite en champ fort)
Balance de CurieZ X
Mx
F
B
Fz = Mx dBx/dz
Zone de champ B à fortgradient transversal
Un champ alternatif à fortgradient axial (bx) est superposé
au champ continu Bx
Micromag
Bb
vibration
Détecteurpiézo-électrique
F
Mx
Fx = Mx dbx/dx
X
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 0°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 20°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 40°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 60°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 80°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 90°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 100°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 120°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 140°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 160°-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 120 240 360 480 600 720
Phase : 180°
Principe de la Détection Synchrone
Référence
Signal
IntégrationMultiplication
Instruments d’analyse
• Aimantation rémanente
champs alternatifs
chauffage en champ nul
dissolution chimique
• Minéralogie magnétique
• Anisotropie magnétique
MESURE DE SUSCEPTIBILITE MAGNETIQUE
v~- 0 +
m = h v
h
a b
Deux bobines identiques :Ga = Gb = G
i = I sin t
-i
h = (G/µ0) I sin t
e
volume v
e = v (G2/µ0) I cos t
Appareil de mesure de la variation thermique de la susceptibilité
Le Four avecl’échantillon de poudre est introduit dans la bobine à intervallesréguliers.Le « zéro » estfait avant etaprès chaque mesure.
Développement instrumentalExemple 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 jusqu’à 670°C• Application d’un champ faible dans toutes les
directions• Stabilité meilleure que 1% sur plusieurs heures
• Automatisation maximale des expériences
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
NRM
T1 = 148°C
H = 0
Mesure de l’aimantation à haute température
Chauffer de Tamb à T1 (H=0)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
H = 0NRM
T1 = 148°C
T2 = 448°CCurve #1
Chauffer de T1 à T2 (H=0)
Mesure de l’aimantation à haute température
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
H = 0NRM
T1 = 148°C
T2 = 448°C
Curve #1
Curve #2
Curve #3
Refroidir jusqu’à T1 etChauffer de T1 à T2 (H=0)
Mesure de l’aimantation à haute température
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
H = 70µT
H = 70 µTNRM
T1 = 148°C
T2 = 448°CCurve #1
Curve #2
Curve #3
Hlab = 70µT
Mesure de l’aimantation à haute température
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
NRM
T1 = 148°C
T2 = 448°C
Curve #1
Curve #2
Curve #3
Curve #4
Refroidir de T2 à T1 (H = 70µT)
Mesure de l’aimantation à haute température
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
H = 0NRM
T1 = 148°C
T2 = 448°C
Curve #1
Curve #2
Curve #3
Curve #4
Hlab = 0
Mesure de l’aimantation à haute température
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperature (°C)
Mto
tal (
10
-8 A
m²)
NRM
T1 = 148°C
T2 = 448°C
Curve #1
Curve #2
Curve #3
Curve #4Curve #5
Chauffer de T1 à T2 (H=0)
Mesure de l’aimantation à haute température
0
10
20
30
40
50
60
70
80
150 200 250 300 350 400 450
R
R'
Ti, (°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 l’époque
Variation de l’intensité du champ magnétique terrestreen Mésopotamie durant 4 millénaires avant JC
Autres programmes instrumentaux au laboratoire
Etudes des effets de pression avec cellules de diamant
Installation d’un nouvel instrument d’analyse de minéralogiemagnétique Multi usage à SQUID
Mise au point d’un micromagnétomètre en vue de visualiserl’aimantation des particules sub-millimétriques dans
des tranches fines de roches
Pour terminer...L’aimantation des roches naturelles et des terres
cuites par l’homme 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 d’un siècle un grand nombre d’instruments 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.