Geomateriaux_1

Du cristal aux plaques : Processus et propriétés physiques
Les fabriques magnétiques des roches
Pierre Camps
Bat 22, 3eme Étage; Email : [email protected]
En guise d’introduction….Les Fabriques Magnétiques :
Ce sont des techniques parmi beaucoup d’autres qui permettent de
mesurer la fabrique des roches.
Donc de résoudre un certain nombre de problèmes géologiques.
Mais qui présentent un grand nombre d’avantages…..
Rapides
Peu coûteuses
Précises
Et donc applicables à de plus grandes échelles que les
autres techniques (microscopie optique ou électronique…..)
PLAN
1. Définitions
2. Comportement magnétique de la matière
3. Les minéraux magnétiques.
4. Anisotropie magnétique et analyse.
5. Fabrique magnétique des sédiments et des roches
éruptives.
6. Fabrique magnétique secondaire dans les roches.
1/ Définitions :
Moment Magnétique
1/ Définitions ….(suite)
Champ Magnétique :
force qui s’applique sur une charge unitaire magnétique
positive (ex. Boussole)
Il s’agit d’un champ vectoriel. En tout point P du domaine de définition
on associe un vecteur !!
1/ Définitions ….(suite)
Aimantation (intensité magnétique)
1/ Définitions ….(suite)
Aimantation induite :
Elle est fondamentalement réversible
et elle disparaît en l’absence de champ.
Elle existe dans toutes les matières !!
1/ Définitions ….(suite):
Aimantation rémanente :
Elle est conservée lorsque l’on coupe le champ
C’est l’enregistrement des champs magnétiques
passés qui ont agit sur le matériel !!
2/ Comportement magnétique de la matière:
Origine : Moment magnétique atomique (Ma)
Notion de mécanique quantique
Comparaison avec les orbites planétaires
Principe d’exclusion de Pauli :
Chaque orbite électronique
peut être remplie jusqu’à 2
électrons ayant des spins qui s’opposent.
Le moment magnétique d’un corps dépends du degré
d’alignement des moments magnétiques individuels.
Il existe 3 niveaux d’organisation éventuellement superposés
2.1/ Organisation à l’échelle atomique.
1er Cas : Atomes sans moments permanents , Ex : Si4+, O2-, Ti4+
En présence d’un champ, modification des orbites électroniques de manière à
créer un moment magnétique qui va s’opposer au champ appliqué.
Réaction de Diamagnétisme
Les corps composés d’atomes sans moments permanents sont eux aussi
diamagnétiques. Exemple : Quartz, l’eau, l’air, la calcite etc….
2eme Cas : Atomes ayant un moment permanent
Ex : Fe2+, Fe3+, Mn3+ ,Cr3+
Paramagnétisme
Les corps pour lesquels il n’ y a pas d’interactions entre moments
adjacents sont paramagnétiques. Exemple la plupart des silicates.
Biotite, Fayalite etc…
2.2/ Organisation à l’échelle moléculaire.
Pour les solides qui contiennent des atomes avec un moment magnétique
permanent mais qui présentent des interactions entre proches voisins, il y a
une auto-organisation des moments atomiques.
Ferromagnétisme (sl) (sensu lato)
Apparition d’une aimantation
spontanée qui existe en
l’absence de tout champ.
Le ferromagnétisme (sl) se superpose au paramagnétisme
Ferromagnétisme (sl) ….suite
K positive et forte
K varie a la fois avec T et H
Comportement complexe de J avec T et H
Exemple : Toute les roches qui contiennent, même en infime
Proportion des minéraux comme la magnétite, l’hématite,
les pyrrhotites
Les différents types d’auto-organisation
Ferromagnétisme (ss)
(sensu stricto)
: Ex. Le Fer, le Nickel
Ferrimagnétisme : Ex. la magnétite (Fe3O4)
Les différents types d’auto-organisation
Anti-Ferromagnétisme : Ex. L’ilménite (FeTiO3)
Anti-Ferromagnétisme imparfait: Ex. l’hématite (Fe2O3 )
2.3/ Organisation à l’échelle du minéral.
Question: Pourquoi est-il facile de trouver du fer non
aimanté ?
Réponse : Organisation en domaine magnétiques (Pierre Weiss, 1906)
Processus d’aimantation d’un grain polydomaine
Observation des domaines magnétiques
En résumé : Organisation en fonction de la taille des grains (à T constante)
Magnétite monodomaine 0.03 - 0.1 m (grain cubique), 1 m grains allongés
Hématite monodomaine 0.03 -15 m, 100 m grains allongés
3/ Les minéraux magnétiques.
Définition: Minéraux susceptibles de porter une aimantation rémanente.
Tous sont ferrimagnétiques (sauf l’hématite qui est antiferro.)
2 familles : Les spinelles
et les Mx Rhomboédriques
3.1/ Les spinelles.
Système cristallin:
Formule générale :
Cubique
M2+R23+O42- avec M2+ = Fe2+, Mn2+, Mg2+
R3+ = Al3+, Cr3+, Fe3+
Organisation magnétique en 2 sous réseau,
d’ou soit antiferromagnétique, soit ferrimagnétique
1er Cas : Les spinelles non lacunaires
Configuration stoechiométrique : 24 cations pour 32 oxygènes
Magnétite : Fe3O4
Ulvospinelle : Fe2TiO4
Titanomagnétites :
(1-x) Fe3O4 , x Fe2TiO4
Propriétés magnétiques des titanomagnétites (ss)
2eme Cas : Les spinelles lacunaires
Résultent de l’oxydation à basse température des spinelles
stoechiométriques - de 24 cations pour 32 oxygènes
La Maghémite : Fe3O4
La magnétite est oxydée en maghémite en :
changeant la valence des 2/3 du Fe2+ en Fe3+
et en soustrayant simultanément 1/3 du Fe2+ originel.
Les Titanomaghémites : Résultent de l’oxydation des titanomagnétites
3.2/ Les minéraux rhomboédriques.
Hématite : Fe2O3
Antiferro imparfait
Point de Curie 675 deg.
Monodomaine < 15 m
Ilménite : FeTiO3
Point de Curie -218 deg. C
Ilmeno-Hématites :
(1-y) Fe2O3 , y FeTiO3
Pour 0.45 < y < 0.55, les Ilmeno-Hematites peuvent présenter
des phénomènes d’autoinversion de l’aimantation
Propriétés magnétiques des Ilmeno-hématites (ss)
3.3/ Autres minéraux magnétiques.
Les pyrrhotites : Fe1-xS
pour 0 < x < 1/7
Système hexagonal, ferrimagnétisme
Point de Curie variant de 200 a 300 deg.
Monodomaine < 2 m
Goethite :
-FeOOH
Système orthorhombique, ferrimagnétisme faible
Point de Curie entre 60 et 170 deg
Chauffé à 200 deg, elle se déshydrate en hématite
Lepidocrocite: -FeOOH
Chauffé à 200-250 deg, se transforme en maghemite