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1 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 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

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    I - INTRODUCTION

    Le gomagntisme consiste tudier le champ magntique terrestre. Ltude de celui ci permet de :

    - connaitre ses variations temporelles

    - Reconstituer les dplacements passs des plaques tectoniques (lithosphriques) aux chelles des temps gologiques (palomagntisme)

    - explorer et tudier les anomalies magntiques profondes ou en surface pour la

    recherche de certains gisements de minraux utiles. C est lobjet de la prospection magntique .Celle-ci est fonde sur la mesure des composantes du champ magntique terrestre et les modifications provoques localement par le marqueur contraste daimantation des roches et des sdiments.

    - reprer des anomalies magntiques qui peuvent tmoigner des vestiges au travers des derniers millnaires (archomagntisme).

    Le champ magntique principal de la terre est dorigine interne. Il est produit par le mouvement de matires constituant la partie liquide du noyau. Ces mouvements crent non seulement le champ magntique par leffet dynamo et lectro-aimant mais grce leur effets simultans, ils maintiennent et entretiennent galement ce champ. Le champ magntique terrestre est prsent sur lensemble de la surface terrestre et lexistence de certains minraux ferromagntiques impliquant la prsence des mtaux ferreux dans le sous-sol induit de ce fait de petites modifications de ce champ. En effet, certains matriaux de lcorce terrestre tels que le fer, le chrome et le nickel etc. sont caractriss par lexistence du marqueur aimantation (susceptibilit magntique), dont la valeur et ses modifications dans lespace, pourront fournir des effets indirects mesurables. Lorsqu un matriau dune certaine aimantation (ou susceptibilit magntique) leve est enfoui dans le sous-sol, il changera localement le champ magntique et engendrera une anomalie (perturbation) leve damplitudes de quelques dizaines de nT (nano Tesla) reprable grce un instrument spcial trs sensible : le magntomtre. A titre dexemple, un gisement (de fer, de nickel ou de chrome) possdant un changement local dans laimantation anormalement leve par rapport celle du

    Gomagntisme et Prospection Magntique

    Si vous utilisez des donnes de ce travail, vous devez citer la rfrence en bibliographie

    de la faon suivante :

    Djeddi. Mabrouk .Gomagntisme et prospection magntique, 25 pp, 07 figures, 01

    tableau .Laboratoire de Physique de la Terre, Universit MHamed Bougara de

    Boumerdes. Algrie. Djeddimabrouk.fr.gd

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    milieu gologique encaissant, se distinguera par une anomalie locale quil engendrera dans le champ magntique terrestre. Lobjectif de la mthode de prospection magntique est de reprer lexistence et de dfinir la forme cache des corps (gisements) caractriss par les contrastes daimantation anormalement leve. Etant donn que la mthode magntique mesure lensemble des phnomnes dpendant du champ magntique terrestre existant ltat naturel, il est par consquent ncessaire de rappeler trs brivement quelques notions fondamentales y compris quelques repres historiques.

    II - QUELQUES REPERES HISTORIQUES

    Les premires observations du phnomne magntique terrestre sont trs anciennes. Elles se rsument succinctement par ordre chronologique comme suit : VI ime sicle avant J.C. Les chinois avaient dj constat les phnomnes magntiques.

    - Le philosophe grecque Thales, six sicles avant J.C avait dj observ et mis en vidence le phnomne daimantation.

    I ier sicle avant J.C. Fabrication de la premire boussole (cuillre de Wang Chen-to) par les chinois. V ieme sicle aprs J.C. Apparition du mot magntique. Le mot "magntisme" vient de la Magnsie, qui est une rgion de la Grce ou se reprait des aimants naturels. VII ime sicle. Premire mesure (en 720) en Chine de la dclinaison magntique par I-Hsing. XII ieme sicle. Apparition des boussoles en Europe (Alexandre Neckham 1190). XIII ieme sicle. Petrus Peregrinus (1269) dcouvre le concept de ples magntiques et dcrit le premier compas. XV ieme sicle. Redcouverte en Europe de la dclinaison magntique.

    - Georg Hartmann effectua les premires mesures catalogues de la dclinaison magntique Rome en 1510. Il dcouvre linclinaison en 1544, cependant sa dcouverte est reste inconnue jusquen 1813.

    XVI ieme sicle. Redcouverte de linclinaison magntique par Robert Norman (en 1576)

    - A la mme poque (entre 1538 et 1541) Joao de Castro effectua 43 mesures de la dclinaison magntique pendant quil voyageait en expdition

    du Portugal vers lInde, il constata que la dclinaison change en fonction du lieu.

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    - En 1546, Gerhard Mercator prouve partir des mesures de dclinaison que l'endroit vers lequel pointe l'aiguille aimante ne peut se trouver "dans les cieux" mais assurment sur la Terre. - Finalement, William Gilbert reprend en 1600 les expriences de

    Peregrinus. , il assimila le champ magntique terrestre celui dun aimant. XVII ieme sicle. Henry Gellibrand (en 1634) mis en vidence par des mesures que la dclinaison varie dans le temps. XVIII ieme sicle. Johann Wilcke (1768) publia la premire carte dinclinaison magntique.et etablissement de la premiere carte magntique par E Edmund Halley (1656-1742) fig.1

    - Puis ce fut la mise en vidence de la variation de lintensit du champ magntique avec la latitude par Alexandre Von Humboldt durant la priode allant entre 1799 et 1803.

    - Charles Coulomb (1777) et Hans Oersted (1800) ont men galement des tudes sur le champ magntique terrestre.

    XIX ieme sicle. Christopher Hansteen publie entre 1825 et 1826 les premires cartes dintensit.

    - Carl Friedrich Gauss(1838) dduit la position des ples magntiques en calculant la main les coefficients du dveloppement du champ en harmoniques sphriques. - La dcouverte du ple nord magntique (1831) par James Ross. Michael Faraday (1830) et James Clark Maxwell (1865) ont men des tudes notamment thoriques du champ magntique. Leurs recherches ont dvoil que des courants lectriques produisent des champs magntiques. Le noyau externe tant mtallique et conducteur, il pourrait tre parcouru par des courants lectriques et de ce fait produire un champ magntique .Leurs travaux ont permis dexpliquer uniquement le mcanisme de llectro- aimant. Or, si ce mcanisme tait lunique mcanisme mis-en jeu, le champ magntique terrestre naurait pas survcu trs longtemps vu que la rsistance lectrique du fer liquide du noyau externe aurait provoqu la dissipation complte de lnergie lectrique sous forme de chaleur en si peu de temps alors que la terre existe et porte ce champ depuis plus de 3.5 Milliards dannes. XX ime sicle. Dcouverte du ple sud magntique par David et Mawson (Expdition Shackleton en 1909).

    - J.Lamor (1919) proposa la thorie de la dynamo pour expliquer la prsence et la variabilit du champ magntique terrestre depuis 3,5 milliards dannes .Sa thorie permet dexpliquer pourquoi le

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    champ magntique est maintenu dans le temps. Dans La thorie du modle de leffet dynamo , le noyau externe de la terre en mouvement grce la force dArchimde produite par des diffrences de temprature et de densit causes par la solidification du noyau terrestre solide , ou de la force de Coriolis provoque par la rotation du fluide du noyau jouerait le rle du bobinage .Depuis, il y a eu plusieurs modles sur lorigine de leffet dynamo, mais jusqu maintenant , ils ne trouvent aucune explication satisfaisante. La seconde question qui reste encore pose est lorigine dapparition de ce champ tout fait au dbut.

    Fig.1 La premire carte magntique, tablie par Edmund Halley (1656 1742)

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    III - LEMENTS DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE

    Le champ magntique terrestre est un vecteur ( ) : il a en tout point de la terre, une intensit et une direction particulire.

    La projection du vecteur sur trois axes X, Y et Z de coordonnes rectangulaires lis aux coordonnes gographiques permet de dfinir, suivant la direction Sud-Nord gographique les principaux lments du champ magntique terrestre. Fig.2

    - La composante horizontale X (positive vers le Nord), appele aussi composante Nord du champ magntique.

    - la composante horizontale Y (positive vers lEst), selon la direction Ouest-Est

    gographique, appele aussi composante Est du champ magntique. - la composante verticale Z (positive vers lintrieur de la terre par convention), selon la verticale du lieu. Les trois composantes X, Y, et Z sont orthogonales entre elles.

    - D : Dclinaison magntique ou angle (X^H), cest la dviation de laiguille de la boussole par rapport au nord gographique autrement dit langle

    entre le nord gographique et la direction de la composante

    horizontale du champ magntique. Elle varie de -90 (Est) 90(Ouest)

    - I : Inclinaison magntique ou angle (F^H) cest--dire langle que fait le

    vecteur par rapport au plan horizontal. Cest donc linclinaison de laiguille de la boussole vers le haut ou vers le bas .Sa valeur est positive vers le bas. Linclinaison varie de - 90(ple Sud) 90 (ple Nord) et 0degr lquateur. Remarque :

    - Les ples magntiques sont bien dplacs par rapport aux ples gographiques plus de 2000 Km pour le ple Nord. Laxe magntique ne passe pas par le centre de la terre et sen carte de plus de 1200 km.

    - Les angles D et I sont mesurs en degrs et les autres lments en nano Tesla

    (nT) avec 1 gamma = 1 nT (109 Tesla) = 105 Gauss = 105 Oersted = 109 Weber / 2

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    Dclinaison () =

    Inclinaison () =

    Projection Horizontale () du champ = + = . La composante horizontale Nord () = . = . . La composante horizontale Est () = . . = . .

    Intensit () = + +

    La composante verticale () = .

    Fig.2 Elments du cham magntique

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    IV - ORIGINE DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE

    Nos connaissances thoriques gnrales en physique suggrent principalement 4 ventualits pour produire un champ magntique : - aimantation homogne de la terre. - des courants lectriques. - la rotation dune masse matrielle neutre. - des dplacements de charges. Seule la seconde possibilit est vraisemblable .Le champ magntique terrestre est dorigine interne plus prcisment, il est provoqu par lanimation des matriaux qui composent le noyau liquide. Le dtail des principales causes sortent du cadre de notre cours, nanmoins elles se rsument comme suit :

    - Le noyau terrestre est organis en une partie solide (graine) entoure par une enveloppe liquide.

    - La partie solide cristallise au dpend de lenveloppe liquide.

    Le mcanisme de cristallisation saccompagne par une mobilit de matriaux.

    - Les grandes tempratures qui rgnent entre 4000 et 5000 C lemportent sur les puissantes pressions (environ 200 G Pa) qui y rgnent .Cela permet la partie externe du noyau de rester ltat liquide.

    Les mouvements de matire du noyau liquide sont gnrs et maintenus par des forces rsultantes du fait :

    - des gradients thermiques qui produisent des mouvements de convection.

    - du mouvement de rotation de la Terre. Ce mouvement ne fait quordonner lcoulement de matire liquide.

    - des gradients de concentration qui dcoulent de la cristallisation du noyau

    solide au dtriment du noyau liquide. Lensemble de ces mouvements engendre le champ magntique terrestre par arrangement dun effet dynamo et dun effet lectro- aimant.

    - Leffet dynamo (conversion de lnergie mcanique en nergie lectrique) engendre un courant lectrique par le phnomne dinduction au niveau dun conducteur en mouvement et en prsence dun champ magntique cre par un aimant permanent.

    - leffet lectro-aimant engendre un champ magntique partir dun courant lectrique circulant dans un conducteur.

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    Lharmonisation de ces deux effets permet de crer et de maintenir un champ magntique terrestre. Nos connaissances actuelles montrent globalement que le champ magntique terrestre total est la superposition de deux champs magntiques

    - Un champ magntique dorigine interne dipolaire.

    - Un champ magntique non dipolaire, dont une partie est dorigine interne et une partie dorigine externe.

    IV - 1 Origine interne dipolaire Le champ magntique terrestre dorigine interne plus de 90% est li aux mouvements de fer liquide conducteur dans le noyau externe. Il est comparable un champ dipolaire dplac (fig. 3).

    Fig. 3 Les lignes de champ magntique dipolaire. Cette figure montre que :

    - Le champ magntique est vertical et orient vers le centre de la terre au ple Nord gomagntique

    - Le champ magntique est vertical mais orient vers lextrieur au ple sud Magntique.

    - laxe gomagntique, passant par les deux ples, fait un angle de 11,5 par

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    rapport laxe de rotation de la terre, joignant les deux ples gographiques. Son ple magntique Nord se trouve dans lhmisphre Sud. Fig.4

    - Le champ magntique est horizontal lquateur.

    Fig.4 Champ magntique terrestre

    IV - 2 Champ magntique non dipolaire Les 10% restants du champ magntique terrestre sont non dipolaire et sont dorigne externe et interne.

    - origine externe Lorigine externe du champ magntique total est de lordre de 1% environ. Son origine est le rsultat de linteraction des vents solaires avec la magntosphre et lionosphre .Il en rsulte des courants lectriques prsents dans la haute atmosphre et des temptes magntiques dues aux diffrentes particules produites et rayonnes par le soleil (vents solaires ). Ils provoquent des variations du champ magntique total et induisent dans le sol, lgrement conducteur des courants lectriques par effet de peau. Ces nappes de courant lectrique engendrent un champ magntique en surface, appel le champ tellurique. Ce dernier est un champ parasite dont il faut attnuer pour connaitre les proprits exactes du champ magntique

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    principal. Fig.5

    Fig. 5

    - origine locale Lorigine locale du champ magntique est cause par lhtrognit gologique. En effet, les roches magntiques situes faibles profondeurs dans la terre engendrent un champ magntique qui constitue une perturbation anormale lie des variations de susceptibilit magntique (laimantation du sous-sol). La mise en vidence de cette perturbation et sa cartographie peut tmoigner de la prsence dun gisement ou dun vestige (archologie) qui intresse le gophysicien explorateur ou larchologue. Les anomalies locales du champ magntique causes par les roches magntiques et le champ tellurique forment le champ non dipolaire .Celui-ci est gnralement irrgulier et plus faible que le champ magntique dipolaire.

    V - PRINCIPAUX PARAMETRES MAGNETIQUES

    V - 1 Aimantation Lintensit daimantation reprsente le moment magntique dune substance par unit de volume place dans un champ magntique.

    Un volume dun matriau, plac dans un champ magntique acquiert un moment magntique .

    =

    Le vecteur aimantation est une grandeur macroscopique qui explique la prsence des moments magntiques lchelle microscopique dans les matriaux. Linduction magntique est :

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    = ( + )

    Mesure de la densit volumique de moment magntique amprien (unit : Ampre par mtre).

    Quand le matriau est isotrope, le vecteur aimantation A est colinaire au champ

    magntique H , cest dire :

    = . do = ( + ).

    Pour la majorit des matriaux non ferromagntiques, on peut considrer que :

    = ( + ). = . car ||

    V - 2 - 1 Aimantation rmanente Elle reprsente laimantation acquise par certaines roches ou sdiments la suite dun phnomne naturel et qui demeure aprs avoir retir le champ magntique appliqu. Elle est cre par les minraux magntiques chauffs jusqu leur point de Curie puis, refroidis dans un champ magntique. Elle est essentiellement stable et qui garde la direction du champ magntique prsent au moment du refroidissement de la roche ou du sdiment. Laimantation rmanente comprend :

    - Aimantation rmanente visqueuse Du fait de la viscosit magntique du matriau, laimantation rmanente ne disparait pas compltement lorsque le champ magntique utilis est retir.

    - Aimantation Thermormanente Laimantation thermormanente est acquise quand un matriau ferrimagntique ou ferromagntique soumis une temprature suprieure sa temprature de Curie se refroidit dans un champ magntique. Les roches volcaniques sont lexemple le plus marqu de laimantation de ce type daimantation.

    - Aimantation rmanente dtritique Ce type daimantation sacquiert quand des particules des sdiments de moment magntique non nul se rangent sur un champ magntique pendant la phase de sdimentation soit durant leur dpt ou encore aprs leurs dpts (avant la phase consolidation).

    - Aimantation rmanente cristalline La cristallisation dun minral en prsence dun champ magntique provoque une orientation prfrentielle des moments magntiques des atomes sur ce champ .Une fois acquise, laimantation rmanente cristalline aura les caractristiques semblables laimantation thermormanente.

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    Le sol se compose de matriaux constitus eux-mmes de minraux de diffrentes aimantations. Ces minraux, lorsquils sont soumis un champ magntique externe, sacquirent une certaine aimantation.

    V - 2 - 2 Classification magntique des minraux Du point de vue magntique on classe les minraux en 5 types. Les minraux diamagntiques, paramagntiques, ferrimagntiques, ferromagntiques et antiferromagntiques.

    - Corps diamagntiques Lorsquon soumit ces minraux un champ magntique extrieur, ils acquirent par induction une trs faible aimantation ngative .Lorsque le champ magntique inducteur nagit plus, les moments magntiques des atomes et des molcules sannulent. Leau (H2O) est un minral du type diamagntique.

    - Corps paramagntiques Les minraux de type paramagntique possdent une intensit daimantation plus grande que celle des minraux diamagntiques .Contrairement, aux minraux diamagntiques, leur moment magntique ne sannule pas. Laimantation induite acquise correspondrait donc un arrangement des moments magntiques lmentaires sur le champ appliqu et de mme sens .Ils se caractrisent galement par une susceptibilit magntique inversement proportionnelle la temprature absolue et une aimantation rmanente nulle.

    - Corps ferromagntiques Les corps ferromagntiques se caractrisent par une aimantation forte et des moments magntiques dorientations rgulires .Ils portent des aimantations rmanentes. Les substances les plus ferromagntiques sont le fer pur, le nickel, ou le chrome.

    - Corps antiferromagntiques Ils constituent une forme de ferromagntisme ou lorientation des moments magntiques est de prfrence alterne. Fig.6

    Fig.6

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    - Corps ferrimagntiques Les corps ferrimagntiques ont un comportement amplement voisin des corps ferromagntisme. Cependant, il existe dans le cristal deux types datomes porteurs de moments magntiques antiparallles qui ne se compensent pas. Les corps ferrimagntiques peuvent acqurir une forte aimantation rmanente ou induite.fig.7

    Fig.7

    V 2 Susceptibilit magntique

    La prospection magntique est sensible aux variations de susceptibilit magntique du sous-sol. Celle-ci traduit la capacit de tout corps acqurir une aimantation sous leffet dun champ magntique. Cest donc une grandeur physique qui dtermine linteraction entre un matriau et un champ magntique.

    Cette aimantation induite est proportionnelle dun facteur appel susceptibilit magntique au champ magntique .Le signal magntique mesur est alors la susceptibilit magntique du sous-sol. Cette dernire se dfinit comme une grandeur physique complexe comportant une partie imaginaire ngative. -Substances ferromagntiques Elles comprennent le fer pur, le nickel, ou le chrome et ont une trs forte susceptibilit magntique. Elles possdent une susceptibilit magntique forte et positive, qui dpend de la microstructure et du champ magntique appliqu. Les atomes ont des moments magntiques tous parallles. Elles ont, temprature ambiante, une aimantation autonome mme en absence de champ magntique extrieur. La susceptibilit magntique des substances ferromagntiques augmente vite lapproche de la temprature de Curie(Tc) jusqu arriver son maximum ensuite sannuler brutalement au passage de Tc. Aprs la temprature de Curie, le matriau ferromagntique perd son aimantation et se convertit en matriau paramagntique. La susceptibilit magntique des substances ferromagntiques est lie la

    temprature de Curie par la formule :

    = .

    K : constante

    Donc au- del dune certaine temprature T, le matriau ferromagntique perd toute son aimantation. A titre dexemple, cette temprature est de 580 670 pour respectivement la magntite et lhmatite.

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    -Substances ferrimagntiques.

    Elles se caractrisent par une forte susceptibilit magntique qui dpend de la microstructure et du champ magntique appliqu. Les atomes de ces substances ont des moments magntiques antiparallles.

    La magntite de formule est le minral ferrimagntique le plus rpandu ,elle a une susceptibilit magntique = , et une temprature de Curie = Lhmatite ferrimagntique de formule a une susceptibilit magntique = , . et . et une temprature de Curie = .

    - Substances antiferromagntiques

    Elles se caractrisent par une susceptibilit magntique faible et positive. Les atomes ont des moments magntiques parallles et antiparallles

    La maghmite antiferromagntique de formule possde une susceptibilit magntique , S. I et une temprature de Curie = .

    - Substances paramagntiques Elles ont une susceptibilit magntique faible et positive et elles prsentent un comportement de mme nature que les substances ferromagntiques, leurs moments magntiques sont orients alatoirement. Les substances paramagntiques peuvent acqurir une aimantation seulement sous leffet dun champ magntique extrieur. Laimantation disparait ds que le champ magntique extrieur nagit plus. Elles ne sont pas donc en mesure de garder temprature ambiante une aimantation rmanente.

    La susceptibilit magntique est positive et de lordre de . , elle est dcrite par lquation :

    =

    et dpendent de la mature du matriau et sont appeles respectivement la

    constante de Curie et la temprature de Curie paramagntique.

    Le phnomne paramagntique est remarqu dans tous les lments (Na, Al etc.) possdant un chiffre impair dlectrons, autrement dit un moment magntique lectronique non nul.

    - Substances diamagntiques

    Elles se caractrisent par une susceptibilit magntique trs faible et ngative Leurs atomes nont pas de moment magntique .Le quartz, les matires organiques, leau et les plastiques sont des substances diamagntiques. Comme les substances paramagntiques, elles ne sont pas donc en mesure de garder temprature ambiante une aimantation rmanente.

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    La susceptibilit magntique est pour :

    - leau = 9,05. 106 SI - Bismuth = 166. 106 SI - calcite Ca CO3 = 13,8. 10

    6 SI - quartz Si O2 = 14,5. 10

    6 SI - Feldspaths = 12,4. 106 SI Leau , le ptrole ,lor, le cuivre , le plomb , le quartz , le graphite , les gaz rares , le mercure et le bismuth ainsi quune grande majorit de composes organiques sont diamagntiques. Pour les corps diamagntiques et paramagntiques la susceptibilit magntique

    volumique est le rapport entre lintensit daimantation induite, , et lintensit du

    champ magntique inducteur .

    =

    Le coefficient est la susceptibilit magntique. > Pour les corps paramagntiques. < Pour les corps diamagntiques. Il existe galement la notion de susceptibilit magntique massique. Elle se dfinit par :

    =

    ou : Masse volumique.

    La susceptibilit magntique est gnralement mesure en prospection lectromagntique. Elle prend en compte tous les minraux antiferromagntiques, ferrimagntiques et paramagntiques prsents dans le sol.

    V - 3 Permabilit magntique

    La permabilit magntique (comme la susceptibilit magntique) reprsente

    linterdpendance entre le champ magntique et lexcitation magntique . Tous les matriaux ont une certaine permabilit magntique.

    La permabilit magntique est une grandeur qui reprsente la facult dun matriau donn se laisser traverser par un champ magntique. Elle dfinit donc la facilit avec laquelle les lignes de forces magntiques peuvent s'tablir dans le matriau.

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    Lorsque certains matriaux sont excits par un champ magntique , ils acquirent

    une intensit daimantation relie par la relation :

    = .

    : La susceptibilit magntique est un paramtre important qui permet de classer les matriaux magntiques en diffrentes catgories sus mentionnes.

    tant donn que le champ magntique caracterise la reponse dun materiau une

    excitation magntique , la relation entre eux est :

    = ( + ) = . ( + ). = Avec = ( + )

    Ou dsigne la permabilit magntique du matriau.Tableau.1

    Matriau Permabilit [H/m]

    Permabilit /0

    Eau 1.2566270x10-6 0.999992

    source Wikipdia modifie

    Cuivre 1.2566290x10-6 0.999994

    Vide 1.2566371x10-6 (0 ) 1

    Hydrogne 1.2566371x10-6 1.0000000

    Aluminium 1.2566650x10-6 1.000022

    Platine 1.2569701x10-6 1.000265

    Nickel 125x10-6 100-600

    Ferrite (nickel zinc) 20 - 800x10-6 16-640

    Ferrite (manganse zinc)

    >800x10-6 >640

    Acier 875x10-6 700

    Acier lectrique 5000x10-6 4000

    Permalloy 10,000x10-6 8000

    Mu-metal 25.000x10-6 20,000

    Tableau.1

    - Permabilit magntique relative.

    Dans lair, la relation entre le champ magntique et lexcitation magntique est linaire. On a :

    = .

    : La permabilit du vide et vaut = . /

    La permabilit magntique relative (par rapport au vide) est symbolise par r (sans dimension).

  • 17

    =

    Comme = .

    Alors = . = . .

    sexprime par le produit de la permabilit du vide et de la permabilit relative du matriau

    V - 4 Viscosit magntique

    La viscosit magntique est une proprit qui permet dexprimer le retard lors de lacquisition ou la perte de laimantation induite. Les corps les plus affects par ce phnomne sont les corps ferromagntiques qui perdent ou acquirent une variation de laimantation avec un certain retard dpendant de la vitesse de variation du champ magntique qui la engendr. La viscosit magntique est lie fondamentalement la prsence de grains ferrimagntiques.

    VI - SIGNAL MAGNETIQUE

    - Dfinition du Signal magntique

    Certains matriaux gologiques ont des proprits magntiques plus marques que le milieu encaissant et le signal mesur en prospection magntique ne peut tre que le signal porteur de ces proprits qui sont gnralement la susceptibilit magntique, type daimantation, la viscosit magntique etc. Les principaux minraux responsables du signal magntique sont les oxydes de fer, les hydroxydes de fer et les sulfures de fer. Ce sont principalement la magntite (), la maghmite () , lhmatite ( ) et la greigite ().

    VII - APPAREILS DE MESURE

    Comme cela fut mentionn plus haut, la prospection magntique se base sur un principe lmentaire : la mesure des modifications locales de lamplitude du champ magntique terrestre et de ses composantes, dont l'unit est le Tesla( = .. ) ou nano Tesla ( Tesla) ou le gamma . Les appareils actuels des mesures utiliss en prospection magntique peuvent reprer des variations locales de l'amplitude du champ trs petites.

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    Les instruments utiliss sont :

    - Variomtre magntique. Ce sont des magntomtres du type mcanique qui permettent de mesurer la variation du champ magntique entre les stations conscutives.

    - Thodolite magntique. Le thodolite magntique (instruments anciens) consiste mesurer la dclinaison magntique D (angle form par la direction du ple gographique/ple magntique ).La dtermination du ple gographique se fait par deux mthodes : vise sur une toile(polaire) ou par vise sur le soleil, tandis que la dtermination du mridien magntique se fait au moyen dune aiguille aimante mobile sur un pivot ou dune aiguille aimante suspendue un fil.

    - Magntomtre torsion, balance de Schmidt, balance magntique de Z. Ces instruments permettent de mesurer la composante verticale Z du champ.

    - Q.H.M

    Le Q.H.M (Quartz horizontal magntomtre) permet de mesurer la composante horizontale du champ magntique.

    - Magntomtres vanne de flux(fluxgate)

    Cest le premier magntomtre lectronique qui t mis en uvre par Victor

    Vacquier et ses collaborateurs. Cest un capteur qui permet de mesurer les

    composantes du champ magntique terrestre dans une direction donne. Il est bas

    sur lutilisation de la saturation du flux magntique dans les matriaux magntiques.

    La composante du champ magntique terrestre sadditionne un champ magntique

    alternatif engendr par un courant sinusodal qui traverse une bobine. Cest avec le

    magntomtre fluxgate que fut ralis le lev aromagntique mondial en 1965 pour

    lexploration des grandes anomalies du champ magntique terrestre. En exploration

    spatiale, un magntomtre fluxgate triaxial t dpos sur la surface de la lune par

    la station amricaine Apollo 12 .Le satellite MAGSAT plac en orbite polaire basse

    en 1979 fut galement quip dun magntomtre fluxgate triaxial.

    - Magntomtre proton (Effet overhauser)

    Cest un type de capteur scalaire appel aussi magntomtre prcession de protons qui mesure lintensit du champ magntique. Cet appareil repose sur un effet complexe qui est la rsonance magntique nuclaire ou leffet Overhauser nuclaire .Ce magntomtre lectronique a t dvelopp partir de 1950 et utilis en prospection magntique dans les annes 1970.cest un magntomtre absolu qui

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    possde une rsolution pouvant atteindre 0,1 0,01 nT .Le boitier du magntomtre proton est compos d'un flacon rempli d'eau, par exemple et entour dune bobine. Loprateur fait circuler dans la bobine un courant lectrique qui gnre un champ magntique plus important que le champ magntique terrestre. Les protons de lhydrogne deau contenu dans le flacon se rangent alors sur le champ magntique gnr par le courant lectrique. Quand le courant lectrique est rompu les protons de lhydrogne subissent une oscillation amortie avant simmobiliser en sorientant sur le champ magntique terrestre. Un systme incorpor dans lappareil permet de compter le nombre doscillation ce qui permet de lire directement les valeurs (en nT) sur lcran du magntomtre proton.

    - Magntomtre pompage optique

    (Effet de Zeeman/frquence de Larmor) Leur principe de fonctionnement est bas sur lexploitation de la rsonance magntique du proton autrement dit sur la frquence de Larmor et leffet de Zeeman Pieter (physicien nerlandais).Ce dernier phnomne dcouvert en 1896 par Zeeman montre que lorsquun spectre atomique mis par des atomes est sous laction dun champ magntique, certaines raies spectrales peuvent se fragmenter en certaines composantes dcales en frquence et polarises. Quant la frquence de Larmor (vitesse angulaire), elle caractrise la frquence de rotation (de prcession) des moments magntiques des noyaux plongs dans un

    champ magntique H . Elle est directement proportionnelle lintensit du champ

    magntique H avec un coefficient de proportionnalit appel rapport gyroscopique

    ( = . ).Elle est utilise pour la description du phnomne de rsonnance magntique nuclaire. Les magntomtres pompage optique ( base de hlium, rubidium ou csium) mesurent la grandeur scalaire avec une prcision pouvant atteindre jusqu 0,01 nT

    Ce sont des instruments absolus qui mesurent lamplitude de du champ magntique et pouvant tre utiliss en prospection magntique terrestre mais galement en prospection aromagntique.

    - Magntomtre effet de Hall Ce type de magntomtre fonctionne sur le principe de la force de Lorentz. Il permet deffectuer des mesures vectorielles du champ magntique.

    - Magnto rsistive

    Son principe de fonctionnement repose sur leffet magnto-rsistif anisotropique. Il permet deffectuer des mesures vectorielles du champ magntique.

    - Magntomtre super conducting Quantum interference Device (SQUID)

    Ce sont les nouveaux magntomtres qui permettent de mesurer le tenseur magntique. Ils se basent sur leffet Josephson. Ils permettent deffectuer des mesures tensorielles avec une prcision allant jusqu 0,0001 nT.

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    VIII APPLICATIONS DU GEOMAGNETISME

    VIII - 1 prospection magntique

    - Principe et paramtre mesur : mesure des anomalies du champ magnetique terrestre

    -Paramtre mesur : aimantation

    -Origine du champ physique : naturelle

    La prospection magntique est une mthode passive tant donn quelle mesure les modifications naturelles du champ magntique terrestre sans essayer de le changer ou de l'amplifier. Elle mesure la perturbation spatiale apporte au champ magntique terrestre par les contrastes daimantation totale crs par des htrognits dans le sous-sol. Le paramtre aimantation permet de distinguer un sdiment dun autre sdiment et ce grce leur contraste daimantation .En gologie applique, ces contrastes sont provoqus gnralement entre le socle cristallin et les milieux sdimentaires, les coules volcaniques, les diffrentes intrusions telles que les dykes etc.

    - Corrections en prospection magntique Les mesures en prospection magntique sont entaches par des champs de perturbations qui interfrent en permanence avec le champ magntique terrestre. Les donnes brutes de prospection magntiques doivent subir de nombreux traitements afin dtre plus facilement interprtables. Parmi les corrections les plus significatives, il y a notamment des variations diurnes et des variations dagitation du champ magntique dont il faut prendre en considration surtout lorsque leurs amplitudes sont significatives. Il faut galement effectuer des corrections lies linfluence de la temprature, influence de la drive instrumentale et bien dautres.

    - Interprtation Linterprtation des rsultats se fait en deux phases.

    - La phase initiale, elle est qualitative

    - La seconde phase appele quantitative est la phase finale. Elle a pour but lutiliser les mthodes dinterprtation telles que les mthodes analytiques, intgrales, graphiques, simulations par ordinateur etc. pour dfinir les caractristiques (profondeur, tendue, pendage etc.) du marqueur magntique recherch

  • 21

    - Applications

    La prospection trouve un vaste champ dapplication, notamment pour :

    - Localiser d'objets ferromagntiques enfouis (pipelines, bombes etc.), dtection des sous-marins

    - En archologie .La mthode permet de localiser les anomalies induites par lexistence de vestiges archologiques enfouis (fosses, fosss, murs, argiles cuites, forges, fours de potiers.

    - Exploration minire ou elle est abondamment utilise pour ltude du socle.

    - Environnement (dcharge) et pollution pour la localisation des objets sensibles (citernes, cuves, futs, canalisations etc.

    - Structures gologiques (en prospection ptrolire) pour la mise en vidence des failles, roches ruptives etc.

    - gnie civil pour la localisation des armatures mtalliques etc.

    - Lev aromagntique

    Les mesures aromagntiques sont une contribution complmentaire ncessaire en gologie structurales et en prospection ptrolire. Elles aident connaitre la profondeur des bassins sdimentaires et mettre en vidence les structures dans le socle se trouvant en dessous de ce bassin sdimentaire, la mise en vidence des failles et pour la ralisation des cartes gologiques. Le magntomtre de mesure est embarqu et train par un avion volant une hauteur constante selon un itinraire prcis et selon une altitude de plusieurs centaines de mtres.

    VIII - 2 Archomagntisme

    Larchomagntisme est un domaine du palomagntisme qui consiste tudier les traces du champ magntique terrestre transcrites dans les terres cuites anciennes. Il est dun apport non ngligeable permettant de connaitre le champ magntique pendant les derniers millnaires. Ainsi, les minraux ferromagntique ou ferrimagntique renferms dans l'argile, chauffe au-dessus de la temprature de Curie, sera dpossde de son aimantation . Lorsque la substance est refroidie une temprature au-dessous de la temprature de Curie, elle acquiert une aimantation thermormanente, parallle (palo- direction) et proportionnelle (palo- intensit) au champ magntique environnant de lpoque.

    Larchomagntisme est donc une mthode qui permet de dater des objets anciens en se basant sur lenregistrement des changements du champ magntique terrestre par les terres cuites archologiques et par les roches volcaniques.

  • 22

    VIII - 3 Palomagntisme

    Le palomagntisme est une mthode magntique qui tudie les traces transcrites par le champ magntique terrestre dans les roches et les sdiments lors de leurs formations durant les diffrentes priodes gologiques de notre plante. Les roches volcaniques et certaines roches sdimentaires qui renferment des minraux ferromagntiques ou ferrimagntiques sont en mesure d indiquer la direction et lintensit du champ magntique terrestre une poque gologique donne. Lenregistrement et ltude de ces traces du champ magntique dans ces roches et sdiments permettent aux gophysiciens (palomagnticiens) dobtenir des informations sur les reconstructions palogographiques, datations partir des courbes de drive des ples, corrlations magnetostratigraphiques, datations et corrlations partir des chelles des inversions etc. Le palomagntisme a permis de fournir des informations sur :

    - Le comportement pass du champ magntique de notre plante. La reconstitution de l'inversion de polarit du champ magntique transcrite dans les roches et les sdiments qui est utilise comme chelle de temps (chelle gochronologique ou magntostratigraphie ) pour les dater.

    - La position et la reconstitution des mouvements passs des plaques lithosphriques cest--dire dduire lemplacement dune plaque lithosphrique une poque donne laide de la connaissance de la direction du champ magntique acquiert cette poque. En effet, la thorie de la drive des continents propose par Alfred Wegener en 1915 selon laquelle les continents taient anciennement unis et staient depuis loigns, presque abandonne partir des annes trente du sicle dernier, est de nouveau relance. La reconstitution des dplacements des plaques lithosphriques, la dcouverte de la drive des ples magntiques et linversion priodique du champ magntique terrestre grce au palomagntisme ont t dun apport sans prcdent pour les spcialistes en gosciences en faveur du mobilisme et donc dans la constitution de la thorie de la tectonique des plaques.

    - Exploration spatiale du gomagntisme Les satellites permettent galement dexplorer le champ magntique terrestre et des plantes. Les informations recueillies depuis lespace fournissent une meilleure vision globale du champ magntique et permettront de mieux comprendre le champ magntique terrestre notamment ses variations spatiales et temporelles. Les principales explorations ddies au gomagntisme de lre spatiale sont :

    - 1979, Le satellite Magsat (USA) a t lanc avec bord un magntomtre trois composantes .Plac sur une orbite polaire de 390-450 km, il a pour mission de raliser la cartographie magntique.

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    - 1999, le satellite Oersted (Danemark) a t plac sur une orbite polaire de

    500-850 km, il avait pour objectif la cartographie magntique. Ce satellite a

    fourni les donnes prcieuses sur le champ magntique terrestre.

    - 2000, le satellite Champ (allemand) met sur un orbite polaire de 300- 450 km

    , il avait pour mission de raliser une cartographie magntique et gravimtrique

    - 2000, le satellite SAC-C (Argentine) lanc sur une orbite circulaire de 702 km : il avait pour mission de cartographier le champ gomagntique.

    - 2013 Lancement dun groupe de 3 satellites baptis SWARM (Alpha, Bravo et Charlie) : ils sont placs des orbites variant entre 300 et 530 km et quips de magntomtres vectoriel (VFM) et scalaire absolu (ASM) qui mesurent la direction du champ magntique terrestre et son intensit.

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