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« Imageries gravimétrique et magnétique »
Année 2006-2007
Cours du 11-12-2007
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.
Æ
Les chinois
• IIième siècle av. J. C. Æ
La première boussole.
• 500 ans ap. J. C.
Æ
Le mot "magnétisme".
• 1100 ap. J. C.
Æ
Le compas fait son apparition en
XVI -Europe.
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 Æ
Origine interne.
• 1919 : J. Larmor : Théorie de la géodynamo.
Quelques définitions :
Le champ magnétique est un vecteur, noté généralement
r
H
Il se caractérise pas trois composantes : Hx, Hy, Hz
Dans un espace à 3 dimensions, ce vecteur peut être représenté par
3 paramètres : l ’Inclinaison (I), la Déclinaison (D), l ’Intensité (H).
Nord
r
Surface ho
Ouest
rizontale
D H
ho
Sud
I
Est
r
H
Verticale
• I : angle que fait le C. M. avec le plan horizontal.
• D : angle que fait la composante horizontale de H avec le Nord géographique
Les éléments du champ
Carte isocline : lignes d ’égale inclinaison du C. M. T
+ 80°
+ 60°
+ 40°
0°
- 40°
- 60°
- 80°
-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
180° W
120° W
60° W
0°
60° E
120° E
60° N
30° N
180° E
0°
0°
0°
- 30° S
- 60° S
• 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 ’avait
proposé 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-il
dans le temps et dans l ’espace ?
L ’observation dans le
temps à l’observatoire
de Chambon la Forêt
Le C.M.T actuel évolue
continuellement dans le temps
sur des constantes de temps
très différentes
(seconde, heure, jour, année,…)
Document D. Gibert
Les éléments du champ
Le champ magnétique terrestre
Déclinaison
Inclinaison
Intensité
Declination in Paris since 1540
degrees
1675
• Parc Saint-Maur (1883-1900)
• Val Joyeux (1901-1935)
• Chambon-la-Forêt (1936 – today)
2014
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
Plusieurs raisons :
• 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).
Quelle est la nature des forces capables de générer
et maintenir les mouvements de matière du noyau ?
• Les gradients thermiques qui génèrent des mouvements de convection.
• Les gradients de concentration qui résultent de la cristallisation de la
graine au dépend du noyau liquide.
• La rotation de la Terre. Elle a pour conséquence de structurer
l’écoulement, mais pas de l’entretenir.
Document livre de C. larroque et J. Virieux
L’ensemble de ces mouvements crée le C.M.T
par 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).
Le magnétisme des roches
Dans une roche les minéraux magnétiques se répartissent suivant une
matrice de grains dits magnétiques.
Sous l’effet d’un champ extérieur ces grains s’orientent collectivement
pour donner naissance à l’aimantation de la roche.
r
r
H = 0
r
r
H ≠ 0
r
r
M ≈ 0
r
r
M ≈ χ .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).
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.
La prospection magnétique s’adresse aux corps ferromagnétiques
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
χ = µ o.
C
T − Tc
M
Corps
T° (°C)
magnétite
Hématite
Goetite
580°
670°
150°
T°
Température
De Curie
Température dans la Terre
Supérieure à 1200° C.
Et donc ?
Instruments for measuring aspects of the Earth's magnetic field are
among some of the oldest scientific instruments in existence. Magnetic
instruments can be classified into two types.
•Mechanical Instruments - These are instruments that are
mechanical in nature that usually measure the attitude (its direction
or a component of its direction) of the magnetic field. The most
common example of this type of instrument is the simple compass.
The compass consists of nothing more than a small test magnet that
is free to rotate in the horizontal plane. Because the positive pole of
the test magnet is attracted to the Earth's negative magnetic pole
and the negative pole of the test magnet is attracted to the Earth's
positive magnetic pole, the test magnet will align itself along the
horizontal direction of the Earth's magnetic field. Thus, it provides
measurements of the declination of the magnetic field. The earliest
known compass was invented by the Chinese at least two thousand
years ago.
Although compasses are the most common type of mechanical device
used to measure the horizontal attitude of the magnetic field, other
devices have been devised to measure other components of the
magnetic field. Most common among these are the dip needle and the
torsion magnetometer. The dip needle, as its name implies, is used to
measure the inclination of the magnetic field. The dip needle may
have been the first device used specifically for geophysical
exploration, for magnetite ore. The torsion magnetometer is a device
that can measure, through mechanical means, the strength of the
vertical (or horizontal) component of the magnetic field.
Magnetometers - Magnetometers are instruments, usually operating
non-mechanically, that are capable of measuring the amplitude
(strength) of the magnetic field, or of a component of the field. The
first advances in designing these instruments were made during
World War II when fluxgate magnetometers were developed for use in
submarine detection.
•Since that time, several other magnetometer designs have been
developed that include the proton procession and Alkali-Vapor
magnetometers.
Les instruments
Terre Adélie-variomètre
Déclinomètre-inclinomètre
à vanne de flux
Dispositif d’enregistrement
d’observatoire
Les mesures
(Terre Adélie)
Les observatoires magnétiques
Les observatoires magnétiques
CENTRAFRIQUE
SENEGAL
ARCHIPEL CROZET
ILE AMSTERDAM
ILES KERGUELEN
MADAGASCAR (with IOGA)
TERRE ADELIE
ALGERIA (with CRAAG)
FRANCE
CHINA (with CEA)
ETHIOPIA (with GOAAU)
FR. GUYANA (with CNES)
LIBANON (with CNRS)
RUSSIA (with IPE RAS)
TAHITI (with CEA-DASE)
VIETNAM (with VNSC)
Addis Ababa (Ethiopia, 1997)
Phu Thuy (Vietnam, 1993)
Qsaybeh (Lebanon, 2000)
Dumont d’Urville (Antarctica, 1957)
The Chambon-la-Forêt magnetic observatory
Absolute
measurements
Scalar
magnetometer
Vector
magnetometer
Les satellites
MAGSAT (1979-1980)
CHAMP
SAC-C
SAC-C
2000
2000
2000
ØRSTED 1999
SATELLITE MEASUREMENTS
Single satellite
• Magnetic field magnitude and vector components
• Electric field vector components
• Electron density
• Air drag
• Position, attitude and time
Constellation
• 3 satellites:
2 side-by-side in low orbit
1 in higher orbit
• three orbital planes with two
different near-polar inclinations
• Near polar orbits for global coverage
IGRF-10 coefficients (MS Excel, text file, Geomag 5.2 C software and model (zip exe), Model
in Fortran Software)
The International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA) released the 10 th
Generation International Geomagnetic Reference Field — the latest version of a standard
mathematical description of the Earth's main magnetic field and used widely in studies of the
Earth's deep interior, its crust and its ionosphere and magnetosphere. The coefficients for this
degree and order 13 main field model were finalized by a task force of IAGA in December
2004. The IGRF is the product of a collaborative effort between magnetic field modellers and
the institutes involved in collecting and disseminating magnetic field data from satellites and
from observatories and surveys around the world.
The IGRF is a series of mathematical models of the Earth's main field and its annual
rate of change (secular variation). In source-free regions at the Earth's surface and
above, the main field, with sources internal to the Earth, is the negative gradient of
a scalar potential V which can be represented by a truncated series expansion:
where r, θ, λ are geocentric coordinates (r is the distance from the centre of the Earth, θ is
the colatitude, i.e. 90° - latitude, and λ is the longitude), R is a reference radius (6371.2 km);
and are the coefficients at time t and are the Schmidt semi-normalised associated Legendre
functions of degree n and order m. The main field coefficients are functions of time and for the
IGRF the change is assumed to be linear over five-year intervals. For the upcoming five-year
epoch, the rate of change is given by predictive secular variation coefficients. For more details
on main-field modelling, see Chapman and Bartels (1940) and Langel (1987).
http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html
Full name
Short name
Valid for
Definitive for
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
-
IGRF 10
th
generation (revised 2005)
gravi
magnétisme
QuickTime™ and a
TIFF (LZW) decompressor
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Anomalie magnétique d’un dike (P. Sailhac, 1999)
Solutions d’Euler
(P. Sailhac, 1999)
Old surveys
Sensor Height: 150m
Flight Line Spacing: 300m
New survey
Sensor Height: 45m
Flight Line Spacing: 200m