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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)