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.
Surface horizontale
Quelques définitions :
Il se caractérise pas trois composantes : Hx, Hy, Hz
H Le champ magnétique est un vecteur, noté généralement
Dans un espace à 3 dimensions, ce vecteur peut être représenté par3 paramètres : l ’Inclinaison (I), la Déclinaison (D), l ’Intensité (H).
H
Nord
Est
Verticale
Ouest
Sud I
• I : angle que fait le C. M. avec le plan horizontal.
H ho
D
• D : angle que fait la composante horizontale de H avec le Nord géographique
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°0°
60° N
30° N
0°
- 60° S
- 30° S
0° 120° E 180° E60° E60° W120° W180° W
• La déclinaison magnétique présente une certaine symétrie Nord / Sud
• Il existe deux pôles magnétiques : un pôle Nord, un pôle Sud.
Ces différentes observations conduisent à dire, comme l ’avaitproposé 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)
Le champ évolue-t-ildans le temps et dans l ’espace ?
Ørsted (since 1999)~ 750 km
CHAMP (since 2000)~ 400 km
MAGSAT (1979-80)~ 350-625 km
Low-Earth orbiting magnetic satellites
EEJ variations with UT
nT/s2
Magnetic satellites provide global coverage of the average external field variations.
(Le Mouël et al., 2006)
Les observatoires magnétiques
ALGERIA (with CRAAG)FRANCECHINA (with CEA)ETHIOPIA (with GOAAU)FR. GUYANA (with CNES)LIBANON (with CNRS)RUSSIA (with IPE RAS)TAHITI (with CEA-DASE)VIETNAM (with VNSC)
ARCHIPEL CROZETILE AMSTERDAMILES KERGUELENMADAGASCAR (with IOGA)TERRE ADELIE
CENTRAFRIQUESENEGAL
Addis Ababa (Ethiopia, 1997)
Phu Thuy (Vietnam, 1993)
Qsaybeh (Lebanon, 2000)
Dumont d’Urville (Antarctica, 1957)
Absolute measurements
Scalar magnetometer
Vector magnetometer
The Chambon-la-Forêt magnetic observatory
INTERMAGNET’s requirementsVector 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• Resolution: 0,1 nT• Sampling freq.: 0,033 hertz (30 sec)• Accuracy: 1 nT
L ’observation dans letemps à l’observatoire de Chambon la Forêt
Document D. Gibert
Le C.M.T actuel évoluecontinuellement dans le temps
sur des constantes de tempstrès différentes
(seconde, heure, jour, année,…)
Declination in Paris since 1540de
gree
s
• Parc Saint-Maur (1883-1900)• Val Joyeux (1901-1935)• Chambon-la-Forêt (1936 – today)
1675 2014
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
• 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).
Plusieurs raisons :
Quelle est la nature des forces capables de généreret maintenir les mouvements de matière du noyau ?
• Les gradients thermiques qui génèrent des mouvements de
convection.
• La rotation de la Terre. Elle a pour conséquence de structurer l’écoulement, mais pas de l’entretenir.
• Les gradients de concentration qui résultent de la cristallisation de
la
graine au dépend du noyau liquide.
Document livre de C. larroque et J. Virieux
L’ensemble de ces mouvements crée le C.M.Tpar 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).
Sous l’effet d’un champ extérieur ces grains s’orientent collectivementpour 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.
H
0
M
0
H
0
M .
H
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).
La prospection magnétique s’adresse aux corps ferromagnétiques
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.
Les propriétés magnétiques
Le diamagnétisme (k<0)
Le paramagnétisme (k>0)
Le ferromagnétisme
Some Diamagnetic Minerals
Mineral 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
Mineral 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
Il existe une température au-delà de laquelle les corps
ferromagnétiques perdront toute leur aimantation. Température de Curie : Tc
o.C
T Tc
M
T°
TempératureDe Curie
Corps T° (°C)
magnétite 580°Hématite 670°Goetite 150°
Température dans la TerreSupérieure à 1200° C.
Et donc ?
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 1945.0-2000.0
IGRF 8th generation (revised 1999) IGRF-8 1900.0-2005.0 1945.0-1990.0
IGRF 7th generation (revised 1995) IGRF-7 1900.0-2000.0 1945.0-1990.0
IGRF 6th generation (revised 1991) IGRF-6 1945.0-1995.0 1945.0-1985.0
IGRF 5th generation (revised 1987) IGRF-5 1945.0-1990.0 1945.0-1980.0
IGRF 4th generation (revised 1985) IGRF-4 1945.0-1990.0 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 -
Anomalie magnétique d’un dike (P. Sailhac, 1999)
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gravi magnétisme
Solutions d’Euler (P. Sailhac, 1999)