Méthodes magnétiques

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Master Professionnel CIS jean-Pierre Fourno
Les Méthodes magnétiques
Introduction
Les méthodes magnétiques sont celles que l'on emploie en géophysique appliquée depuis le plus longtemps et
elles demeurent les premières parmi les autres techniques géophysiques à être employées dans l'exploration
minérale et souvent dans l'exploration pétrolifère. Les méthodes magnétiques sont de beaucoup les moins
coûteuses, les plus rapides et les plus faciles à opérer au point de vue instrumental. Cependant, l'aimantation est
une des propriétés physiques les plus complexes que le géophysicien puisse étudier dans les roches. La source
magnétique dont l'effet est mesuré en surface peut être localisée à une très grande profondeur. En vertu de leurs
propriétés magnétiques, certains minéraux tels la magnétite, l'ilménite, la pyrrhotine, etc... produisent des
perturbations locales dans le champ magnétique terrestre. En plus de leur emploi dans la recherche de tels
minéraux, les méthodes magnétiques sont utilisées indirectement comme un outil dans la cartographie
géologique, pour la localisation de structures géologiques favorables dans l'exploration du pétrole etc.
Types de magnétisation des roches
La magnétisation est la force d'attraction ou de répulsion qui s'exerce entre deux corps magnétiques.
L'aimantation des roches est due en partie à leur induction dans le champ magnétique terrestre et en partie à leur
magnétisation rémanente. La rémanence est la persistance de l'aimantation dans l'état de la matière qui a été
soumise à l'action d'un champ magnétique. L'intensité et l'orientation de la partie induite dépend du champ
magnétique ambiant et de la susceptibilité des roches tandis que l'intensité et l'orientation de la partie rémanente
est fonction de l'histoire géologique des roches. L'aimantation induite a une direction parallèle au champ
magnétique ambiant et son intensité est proportionnelle à celle du champ ambiant ; la constante de
proportionnalité s'appelle la susceptibilité magnétique.
Si un long solénoïde de n tours par unité de longueur, est parcouru par un courant I, le champ magnétique total H
ou l'intensité magnétique à l'intérieur du solénoïde est donné par la formule H= n*I ou I est en ampères, n en
nombre de tours/m, H = Ampères/m.
L'intensité magnétique H dans le vide produit une induction magnétique ou une densité de flux magnétique telle
que B = o H où B = Webers/m ; alors, si le vide est remplacé par un milieu matériel, ce milieu s'aimante par
induction, cette aimantation est caractérisée par le moment magnétique M, l'induction magnétique est alors:
B = oH + M=H
Susceptibilité volumétrique
L'intensité de la magnétisation I induite dans les substances isotropes due à un champ magnétisant H se définit
par la formule I = KH où K, la susceptibilité volumétrique est une constante pour un matériau homogène donné.
Il existe trois catégories de susceptibilité volumétrique soit, diamagnétique, paramagnétique et ferromagnétique.
Cette dernière catégorie peut être subdivisée en ferromagnétique proprement dite, ferrimagnétique et
antiferromagnétique.
Diamagnétisme
Le diamagnétisme prend son origine dans le mouvement orbital de l'électron autour du noyau et dans son
mouvement intrinsèque de spin.
En l'absence du champ terrestre, un atome possédant un nombre pair d'électrons n'a pas de moment angulaire
total ou de spin car les moments des électrons s'opposent l'un à l'autre (Principe de Pauli).

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L'application d'un champ fera apparaître un mouvement de précession de ces axes autour de la direction du
champ.
La précession est ce mouvement de rotation très lent que prend l'axe d'un corps lui-même en rotation lorsqu'on
applique à ce corps un couple perpendiculaire à l'axe de rotation. La vitesse angulaire de ce mouvement de
précession, appelée fréquence de Larmor, sera proportionnelle au champ appliqué et est exprimée par la relation
:L = Toe/2m m = masse de l'électron
e = charge de l'électron
L = fréquence de Larmor.
Pour une substance contenant n atomes par unité de volume, chaque atome ayant Z orbites où Z est le nombre
atomique de l'atome, la susceptibilité diamagnétique absolue, i.e. le moment diamagnétique M par unité de
volume divisé par le champ de force T est donnée par la formule :
d
K
=
mernZ o 6)( 2
, r = rayon moyen des orbites.
La susceptibilité diamagnétique est très faible et lorsqu'on enlève le champ magnétique ambiant,
l'aimantation revient à son état initial.
L'intensité du champ induit est dans la direction opposée au champ magnétisant, la susceptibilité magnétique Kd
d'un corps diamagnétique est négative et ne dépend pas de la température.
Paramagnétisme
D'après le principe de Pauli, les spins électroniques tendent à s'opposer les uns aux autres de sorte que pour un
élément dans le tableau périodique ayant un nombre pair d'électrons, il n'y a que très peu de réaction au champ
magnétique ambiant (diamagnétisme). Si, au contraire, un nombre impair d'électrons est présent, les spins des
élecrons non appariés s'orienteront dans la direction du champ ambiant tout comme le moment angulaire orbital
de ces électrons et contribueront au paramagnétisme.
"Si on place dans un champ magnétique des atomes dont le moment magnétique résultant n'est pas nul,
l'énergie potentielle magnétique de ce système est réduite si les petits aimants élémentaires s'orientent en
direction du champ, produisant ainsi une composante d'intensité dans la direction du champ extérieur. L'agitation
thermique des particules à une température donnée aura cependant tendance à détruire cet ordre, c'est-à-dire, à
orienter de façon quelconque les axes magnétiques. La condition d'équilibre dans un champ magnétique
dépendra donc des valeurs relatives d'énergie potentielle magnétique et d'énergie thermique."

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Ferromagnétisme
Dans les types de susceptibilité magnétique précédents, on a discuté des effets du mouvement orbital et
du spin, mais on a passé sous silence la possibilité que chacun de ces aimants minuscules puisse agir l'un sur
l'autre. Toutefois, on a observé que l'interaction d'un atome avec ses voisins est parfois si grande dans les
substances ferromagnétiques que les moments de tous les atomes localisés dans une région donnée appelée
domaine magnétique, s'alignent dans la même direction même en l'absence d'un champ ambiant. Dans un cristal
formé de tels atomes, il existe un échange d'énergie qui doit être maintenu maximum. Dans la plupart des
substances, cet échange d'énergie est minime quand les atomes ont une position telle que les spins des électrons
dans les atomes adjacents sont orientés en opposition. Occasionnellement, comme c'est le cas dans les éléments
de transition, la configuration parallèle des spins est préférée ; on a alors affaire à une substance fortement
magnétisée appelée "ferromagnétique".
Pour Fe, Co et Ni, cette interaction des atomes s'effectue entre les spins des électrons non-appariés dans
les orbites électroniques incomplètes 3d des atomes.
Comparés au ferromagnétisme, le diamagnétisme et le paramagnétisme sont des effets très faibles.
Ces substances se retrouvent dans un état paramagnétique si la température s'élève au point de changement
magnétique ou température (point) de Curie c.
Les caractéristiques des substances ferromagnétiques sont leur courbe d'hystérésis et leur grande
susceptibilité magnétique qui dépend du champ ambiant.
Les minéraux et roches ayant des propriétés ferromagnétiques sont ceux qui ont une plus grande
importance dans l'interprétation des relevés magnétiques. Les substances antiferromagnétiques et
ferrimagnétiques sont des variantes des substances ferromagnétiques.
Aimantation résiduelle
Dans beaucoup de cas, l'aimantation des roches dépend surtout de la valeur effective du champ
géomagnétique ambiant et de la quantité de minéral magnétique, mais cela n'est pas vrai d'une manière générale.
En pratique, du magnétisme résiduel contribue souvent à l'aimantation totale des roches, en intensité comme en
direction. Le phénomène est très compliqué parce qu'il dépend de l'histoire magnétique des roches. Ce résidu est
appelé aimantation rémanente normale (ARN) et peut avoir des origines diverses.

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1) Aimantation rémanente chimique (ARC). Elle existe lorsque les grains magnétiques grandissent ou
passent d'une forme à une autre sous une action chimique, à températures modérées, c'est-à-dire au-dessous du
point de Curie. Ce processus est particulièrement important dans les roches sédimentaires et métamorphiques.
2) Aimantation rémanente détritique (ARD). Elle se produit lors d'un dépôt lent de particules de très
petite taille, en présence d'un champ magnétique extérieur. Les argiles varvées présentent ce type de rémanence.
3) Aimantation rémanente isotherme (ARI). C'est ce qui reste une fois le champ extérieur supprimé . Le
champ magnétique terrestre est beaucoup trop petit pour créer une ARI appréciable. Les éclairs peuvent donner
naissance à une ARI sur de toutes petites zones irrégulières.
4) Aimantation thermorémanente (ATR). Elle se produit lorsqu'un matériau magnétique est refroidi, à
partir du point de Curie, en présence d'un champ extérieur. La rémanence acquise de cette façon est
particulièrement stable. Dans quelques cas, elle peut être de sens opposé à celui du champ magnétique inducteur.
C'est le mécanisme essentiel de l'aimantation des roches ignées.
5) Aimantation rémanente visqueuse (ARV). Elle prend naissance lorsque le matériau reste très
longtemps dans le champ extérieur ; l'augmentation de la rémanence est une fonction logarithmique du temps ;
l'ARV est probablement plus caractéristique des roches à grains fins que de celles à gros grains. L'ARV est très
stable.
L'exposé précédent montre que les phénomènes d'aimantation résiduelle sont très complexes. Les études
de l'histoire magnétique de la Terre (paléomagnétisme) ont montré que le champ terrestre a varié en intensité et
a, en réalité, changé plusieurs fois de polarité dans le passé. Par ailleurs, il n'existe pas de preuves spécifiques
qu'il ait existé sous une autre forme que celle d'un dipôle. Des études paléomagnétiques ont montré que
beaucoup de roches présentaient une aimantation rémanente qui était orientée dans un sens différent ou opposé à
celui du champ actuel ; de tels résultats appuient l'hypothèse de la dérive des contiments. Le paléomagnétisme
n'a pas d'intérêt direct en prospection.

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Le champ magnétique terrestre
Le champ magnétique terrestre est approximativement équivalent à un dipôle magnétique de moment
8*1025u.è.m., situé près du centre de la terre et incliné à environ 11.5° de l'axe géographique terrestre. En
n'importe quel point de la surface terrestre le champ magnétique terrestre F peut être décomposé en une
composante verticale Z et une composante horizontale H ayant une déclinaison D à l'est ou à l'ouest par rapport
au nord géographique. La composante Z est positive si elle pointe vers le bas comme c'est le cas dans
l'hémisphère nord et est négative si elle pointe vers le haut comme c'est le cas dans l'hémisphère sud.
On définit l'inclinaison I = tan-1
H
Z
et la déclinaison D = tan-1
X
Y
de sorte que H = FcosI, Z =FsinI, et
X=HcosD et Y = HsinD, d'où F2 = H2 + Z2 = X2 +Y2 + Z2.
L'intensité et l'orientation du champ magnétique changent avec le temps et c'est ce qu'on a appelé la variation
séculaire. En première approximation le champ magnétique terrestre ressemble à celui d'une sphère
uniformément magnétisée et dont le potentiel magnétique A en un point extérieur P à la sphère située à une
distance r de son centre est donné par la formule :
2
cos
r
M
A
ou M = le moment magnétique et =1a colatitude magnétique, la colatitude était égale à /2
moins la latitude. Alors, la composante verticale du champ magnétique devient
3
cos2 r M
r
A
z
A
Z
et la composante horizontale
3
sin
r
M
rA
H
d'où
an
H
Z
Icot2tan 
et le champ total
2/12
3
2/122 )cos31()(
 r
M
ZHF
. A la surface de la terre, r=R où R= le rayon de la terre.
Source du champ magnétique à l'intérieur du globe terrestre
A 25 km de profondeur, on obtient le point de Curie () du fer (750°C) et l'aimantation devient nulle.
L'existence d'un aimant permanent localisé au centre du globe terrestre est donc une hypothèse à rejeter.
La théorie du dynamo mise au point par Larmor, Elsasser et Bullard postule que le noyau terrestre est
un fluide conducteur. Les mouvements (courants de convection) dans ce fluide créent des courant électriques (de