Expose_Maxime_Mars2007.pps

L’instrumentation en Paléomagnétisme
et en Magnétisme des Roches
 Rappel sur le (Paléo) Magnétisme
• Origine du magnétisme induit et rémanent
• Stabilité et fidélité
 Principes de la mesure d’aimantations
• mesure de champ, de flux, de force
 Instruments de Mesure et d’analyse
• Aimantation rémanente
• Minéralogie magnétique
• Anisotropie magnétique
Maxime LeGoff,
Equipe de Paléomagnétisme de l’IPGP
 Développement instrumental
• Exemple du « TRIAXE »
LE CHAMP
MAGNÉTIQUE
DE LA TERRE
Ngéo.
D
Nmagn.
E
I
F
Bas
Application à la reconstitution paléo-continentale
PCmovie.mov
Applications à l’archéologie : datation ou chronologie d’occupation
Nord
N
Ouest
Est
N. Warmé
DEFINITIONS et UNITES
Moment et susceptibilité magnétiques
sans
A m²
M = v (Jr + c H )
A/
m
Induction et Champ dans le vide
T
Volume (v)
B = µ0 H
50 µT <=> 40 A/m
A/
m
RAPPEL
Source du magnétisme de la matière : l’atome.
moment orbital et moment de spin de l’électron.
Les spins appariés s’annulent exactement.
Moment orbital : DIAMAGNETISME (propriété générale des atomes)
Spins non appariés : PARAMAGNETISME
PAS DE REMANENCE
(Le magnétisme du noyau est négligeable)
H
He
Cr Mn Fe Co Ni
le FER doté de propriétés magnéto-cristallines
remarquables :
les distances inter-atomiques de la maille cristalline
favorisent des interactions assez fortes pour aligner
tous les spins (3d) célibataires des atomes voisins
parallèlement entre eux. C’est le
FERROMAGNETISME
Volumes cristallins organisés en réseaux et sous-réseaux magnétiques,
aimantés suivant des axes définis par la géométrie cristalline
(énergie magnéto-cristalline),
ou par la forme macroscopique du volume
(effet du champ démagnétisant).
Arrangement des sous réseaux : aimantation spontanée
Ferromagnétique
Anti-ferromagnétique
Ferrimagnétique
Js
Js
Js = 0
Anti-ferromagnétique
Imparfait (canté)
Js
Agitation thermique : diminution puis disparition de l’aimantation spontanée Js.
Température de Curie Tc : au dessus de Tc, devient paramagnétique
Autres températures de transition, Morin, Verwey, etc.
Taille du grain
Très petit
Encore
Plus grand
Plus grand
Agitation thermique
dominante, comportement
paramagnétique :
SUPER PARAMAGNETIQUE (SP)
Energie Magnéto-cristalline
dominante, basculement d’axes :
MONO-DOMAINE (MD, SD)
Energie Magnéto-cristalline
dominante, apparition de
PAROIS mobiles :
POLY-DOMAINES (PD, MD)
J
H perpendiculaire
J
rotation
H
J
H
H parallèle
basculement
Réversible
seulement
(avec saturation)
J
Déplacement et
blocage intermédiaire
des parois.
Rotations
Réversible ET Irréversible
Js
L’aimantation spontanée
est attirée dans la direction
du champ magnétique
et revient dans sa position
initiale quand le champ
s’annule.
Pour un grand nombre de
grains de ce type, le résultat
global est une aimantation
induite seule croissant avec
le champ jusqu’à la saturation
L’aimantation spontanée
est là aussi attirée dans la
direction du champ magnétique
mais après un seuil, bascule
dans la direction opposée
à sa position initiale et reste
inversée quand le champ
s’annule.
C’est le processus à l’origine
de l ’aimantation rémanente
dans les grains
monodomaines
Le chauffage diminue considérablement la valeur du champ critique de
renversement. A la température ambiante, disons moins de 80°C, un champ
de l’ordre de plusieurs fois le champ terrestre a peu d’influence.
Energie magnéto-cristalline, énergie d’agitation thermique,
énergie de champ extérieur
se conjuguent pour caractériser un grain magnétique
et définir ses paramètres critiques (Néel,1949):
 Température(s) de blocage
 Champ(s) de blocage
 Temps de relaxation
La direction d’aimantation d’un grain reste rigidement « collée »
à l’une des directions de facile aimantation,
c’est le gage d’une stabilité quasi indestructible.
C’est grâce à la loi des grands nombres,
par dispersion isotrope d’une myriade
de ces grains dans notre roche, que la résultante vectorielle devient
fidèlement représentative du champ magnétique qui
régnait au moment du processus d’aimantation de la roche
Dispersion inhomogène des grains  anisotropie structurale
L’aimantation résultante M est
déviée de la direction du champ agissant H.
La susceptibilité magnétique c
(M = c H) n’est plus un scalaire mais un tenseur.
Aimantation détritique
particules aimantées (noir)
fond calme
Bioturbation
Compaction
Exemple de 3 aimantations juxtaposées
N
2
Moment résultant
E
3
Bas
1
Température de "blocage" (°C)
Modèle qualitatif du processus d’aimantation d’une roche
700
Hématite
600
Magnétite
500
400
300
200
100
T ambiante
0
-100
-200
-300
0
10
20
30
Champ de "blocage" à 20°C (mT)
Diagramme simplifié, transposé de la théorie de Néel (1949), d’après Daly, 1981
40
50
Modèle qualitatif de désaimantation d’une roche
Hématite
700
Magnétite
Température de "blocage" (°C)
600
500
400
300
200
100
T ambiante
0
-100
-200
-300
0
10
20
30
Champ de "blocage" à 20°C (mT)
40
50
Paramètres caractéristiques de la minéralogie magnétique
Js
susceptibilité initiale
Hc
Hcr
Jrs
 Viscosité magnétique
Aimantation Anhystérétique
 effets de pression
 Cycles à chaud ou à froid
Susceptibilité / fréquence
 Diffraction rayons X, neutrons
 effet Mössbauer
 etc.
Susceptibilité en
champ faible
Induite à
saturation en
champ fort
20°C
Température
20°C
Température
Avant tout, il faut aller récolter les échantillons !
Des petits
ou des gros…
Tous convenablement
orientés sur le terrain
 BLINDAGE ET BOBINES DE CHAMP
Blindage magnétique
Concentration des
lignes de force
dans l’épaisseur
de la tôle
?
Compensation de « l’effet de bouts »
Exemple du gros four d’archéointensité : Dia 14 cm, long 36 cm
1
10%
0.95
0.9
8%
0.85
0.8
5%
0.75
0.7
3%
0.65
0.6
0%
0.55
0.5
-3%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Distance du centre (cm )
Ajout de ~3.5 cm (1/2 rayon):
 zone à ±1% passe de
10 cm à 27 cm
 Principes de la mesure d’aimantations
• mesure de champ, de flux, de force
• exemples d’instruments
MESURE DE CHAMP
Capteur
à aimants suspendus,
astatique
B=µ0/4p 2 M/r3
-M/2
Echantillon centré
Sur l’aimant central
M
B=µ0/4p M/r3
Dipôle
M
Z
Y
X
Bx
r
-M/2
Le champ B diminue très
rapidement, comme l’inverse
du cube de la distance
Déviation du spot sur la règle
Magnétomètre à fluxgate dans blindage (LETI)
Axe de
mesure du
fluxgate
Blindage en
mumétal
Echantillon
cylindrique
Tension de sortie
fréquence 2F,
proportionnelle à H
courant d’excitation
fréquence F
Champ H
Exemple d’application récente des fluxgates
Ordres de grandeur du champ B à 3 cm du centre
d’un échantillon standard cylindrique ~10 cm3
Roches volcaniques et argiles cuites : 10-2 à 10 A/m
de 3 à 300 nT
Roches sédimentaires : 10-3 A/m et (beaucoup) moins
inférieur à 0.3 nT
Le bruit de fond magnétique (hors orages) est souvent de
quelques dizaines de nT dans les zones calmes faiblement
urbanisées (Parc St-Maur, p. ex.), ce que l’on retrouve aussi
dans une chambre blindée en pleine ville, à proximité du
métro, comme dans les sous-sols de Jussieu.
MESURE DYNAMIQUE DE FLUX
 
G  B(i) / i
Z
Bext
 


  (G  M )  (B   S)
i
Y
C
e
X
ext
C
e  -d/dt
Sensible à
Bext
Insensible à
Bext
N/4 spires
Z
Y
2R
ROTATION
e
R
B1
B'1
X
N spires
B2
B'2
w
Gz = Gy = 0
Gx <> 0
 = Gx Mxy cos wt
e = w Gx Mxy sin wt
Les bobines B2 diminuent
la sensibilité au centre
d’environ 1/8ème
Blindage
Bobines
ouvertes
Inductomètre tournant JR5
5400 tr/mn (90Hz)
Echantillon 10 cm3, 25 g
Bobines de compensation
Bobines principales
Gros inductomètre tournant
300 tr/mn (5Hz)
Echantillon 12 cm de côté, 2 kg
Z
Insensibles à
Bext
Z
Y
Y
e
Gx
Gz
X
X
e
TRANSLATION - VIBRATION
Le long de l’axe X
Gz(x) = Gy(x) = 0
Gx(x) = f(x)
Le long de l’axe X
Gx(x) = Gy(x) = 0
Gz(x) = f(x)
 = Gx(x) Mx
 = Gz(x) Mz
e = Mx
(dGx / dx) (dx / dt)
e = Mz
(dGz / dx) (dx / dt)
5 cm
Tige porteéchantillon
Exemple d’inductomètre vibrant (35 Hz, 4mm) pour obtenir des cycles
d’hystérésis, avec des petits échantillons cylindriques
(dia 6mm, long 6mm) chauffés jusqu’à 600°C
Sensibilité des capteurs à bobines.
L’augmentation du nombre de spires, qui augmente
proportionnellement la sensibilité, conduit à une
augmentation de la résistance du circuit, ce qui augmente
aussi le bruit thermique et l’encombrement...
--> résistance du cuivre limitée à quelques kilo Ohms
--> préamplificateurs à faible bruit
--> détection synchrone à partir d’une référence de phase
du mouvement (rotatif ou alternatif)
On obtient des niveaux de l’ordre de
quelques dizaines de nano Volts à des fréquences
entre 5 et 100 Hz.
Ces sensibilités correspondent à l’étude d’une assez
grande majorité des roches.
MESURE STATIQUE DE FLUX
SQUID (Superconducting QUantum Interference Device)
La bobine entourant l’échantillon transmet le flux au Squid
Doigt chaud
isolant de l’hélium
liquide
MESURE DE FORCE (aimantation induite en champ fort)
Un champ alternatif à fort
gradient axial (bx) est superposé
au champ continu Bx
Zone de champ B à fort
gradient transversal
Fz = Mx dBx/dz
Fx = Mx dbx/dx
Détecteur
piézo-électrique
F
F
vibration
Mx
B
Z
Balance de Curie
X
B
Mx
b
Micromag
X
Principe de la Détection Synchrone
Signal
Multiplication
Intégration
Référence
1.5
1
0.5
0
0
120
240
360
-0.5
-1
-1.5
Phase
Phase
Phase:::180°
100°
120°
140°
160°
20°
40°
60°
80°
90°
0°
480
600
720
 Instruments d’analyse
• Aimantation rémanente
 champs alternatifs
 chauffage en champ nul
 dissolution chimique
• Minéralogie magnétique
• Anisotropie magnétique
MESURE DE SUSCEPTIBILITE MAGNETIQUE
Deux bobines
identiques :
Ga = Gb = G
volume
v
h = (G/µ0) I sin wt
h
m=chv
a
De = v cw (G2/µ0) I cos wt
b
i = I sin wt
-0+
v~
De
-i
Appareil de mesure de la variation thermique de la susceptibilité
Le Four avec
l’échantillon
de poudre
est introduit
dans la bobine
à intervalles
réguliers.
Le « zéro » est
fait avant et
après chaque
mesure.
Développement instrumental
Exemple du « TRIAXE »
Instrument principalement destiné à la détermination
des archéo/paléo-intensités
• Mesure simultanée des trois composantes
• Sensibilité nécessaire pour au moins les terres-cuites
• Chauffage rapide jusqu’à 670°C
• Application d’un champ faible dans toutes les directions
• Stabilité meilleure que 1% sur plusieurs heures
• Automatisation maximale des expériences
Mesure de l’aimantation à haute température
900
Chauffer de Tamb à T1 (H=0)
800
H=0
NRM
600
T1 = 148°C
Mtotal (10
-8
Am²)
700
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
Mesure de l’aimantation à haute température
900
Chauffer de T1 à T2 (H=0)
800
H=0
NRM
Mtotal (10-8 Am²)
700
600
500
T1 = 148°C
400
300
Curve #1
T2 = 448°C
200
100
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
Mesure de l’aimantation à haute température
900
Refroidir jusqu’à T1 et
Chauffer de T1 à T2 (H=0)
800
H=0
NRM
600
Mtotal (10
-8
Am²)
700
500
400
300
Curve #1
200
T2 = 448°C
Curve #3
100
T1 = 148°C
Curve #2
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
Mesure de l’aimantation à haute température
900
Hlab = 70µT
800
H = 70 µT
NRM
600
Mtotal (10
-8
Am²)
700
500
400
300
Curve #1
T2 = 448°C
200
H = 70µT
Curve #3
100
T1 = 148°C
Curve #2
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
Mesure de l’aimantation à haute température
900
T1 = 148°C
800
Refroidir de T2 à T1 (H = 70µT)
NRM
600
Curve #4
Mtotal (10
-8
Am²)
700
500
400
300
Curve #1
200
T2 = 448°C
Curve #3
100
Curve #2
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
Mesure de l’aimantation à haute température
900
Hlab = 0
T1 = 148°C
800
NRM
H=0
600
Mtotal (10
-8
Am²)
700
500
Curve #4
400
300
Curve #1
200
100
Curve #3
0
Curve #2
0
50
100
150
200
250
T2 = 448°C
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
Mesure de l’aimantation à haute température
900
Chauffer de T1 à T2 (H=0)
T1 = 148°C
800
NRM
600
Mtotal (10
-8
Am²)
700
500
Curve #5
Curve #4
400
300
Curve #1
200
T2 = 448°C
Curve #3
100
Curve #2
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperature (°C)
350
400
450
500
exemple de résultat, le champ ancien est donné par R’ (40µT)
La courbe R est un paramètre qui concerne
la vitesse de refroidissement de la céramique dans le four de l’époque
80
70
R, R’ (µT)
R
60
50
R'
40
30
20
10
0
150
Ti, (°C)
200
250
300
350
400
450
Variation de l’intensité du champ magnétique terrestre
en Mésopotamie durant 4 millénaires avant JC
Autres programmes instrumentaux au laboratoire
Etudes des effets de pression avec cellules de diamant
Installation d’un nouvel instrument d’analyse de minéralogie
magnétique Multi usage à SQUID
Mise au point d’un micromagnétomètre en vue de visualiser
l’aimantation des particules sub-millimétriques dans
des tranches fines de roches
Pour terminer...
L’aimantation des roches naturelles et des terres cuites
par l’homme est la mémoire quasi infaillible du champ
magnétique terrestre, et donc du fonctionnement de la
dynamo géomagnétique.
Pour lire les pages de cette « magnétothèque », les
laboratoires de paléomagnétisme ont développé
depuis près d’un siècle un grand nombre
d’instruments originaux, dont le magnétomètre à
SQUID est un des fleurons.
Les tendances actuelles se poursuivent dans deux
voies : 1) la connaissance de plus en plus approfondie
de la physique des minéraux magnétiques et 2) une
automatisation maximales des mesures et analyses
« de routine » pour affiner le maillage spatial et
temporel de la base de données paléomagnétique.