Le Magn Tisme STU S6

UNIVERSITÉ HASSAN II FACULTE DES SCIENCES AIN CHOCK DEPARTEMENT DE GÉOLOGIE CASABLANCA Cours de géophysique STU-S6 2- La prospection ma par: A. BENSALMIA Année . • 2009-2010 Chapitre 2 orqo Sni* to View La prospection magnétique plus ancienne branche de la géophysique. On sait depuis plus de trois siècles, que la Terre se comporte comme un grand amant quelque peu irrégulier. Sir William Gilbert (1540-1603), a montré que le champ magnétique terrestre est équivalent à celui d’un aimant permanent, placé grossièrement suivant une direction N- S, situé au voisinage de l’axe de rotation de la Terre.

Les propriétés du champ magnétique terrestre n’ont pas cessé d’être étudiées depuis Gilbert. Les dernières décennies ont vu l’accomplissement d’énormes progrès en instrumentation et en interprétation dans cette branche qui est la plus ancienne des méthodes de localisation des minerais invisibles comme les structures associées aux gisements du pétrole et du gaz. La méthode magnétique utilisée en exploration géophysique est probablement la plus souple et générale des méthodes géophysiques. Dans ce chapitre, notre but est de fournir les éléments de base et les pratiques en exploration magnétique. Principes et théories élémentaires 2. 1- Introduction Tout le monde connait le comportement d’un aimant lorsqu’il est placé à côté d’un autre aimant. Et tout le monde peut faire l’expérience suivante: placer un aimant puissant sous une plaque de vitre, on constate alors que les clous se répartissent régulièrement en des lignes appelées lignes de force ou lignes de champ (fig. 2-1). Fig. 2-1: Lignes de force produites par un aimant. Les lignes de force divergent du pôle nord et convergent au pôle sud.

Ces lignes dessinent des trajectoires courbes qui convergent aux eux extrémités de la barre aimantée de la barre aimantee. Ces deux points de convergence sont appelés les 0 extrémités de la barre aimantée de la barre aimantée. Ces deux points de convergence sont appelés les pôles magnétiques. Les lignes de force enregistrent l’orientation du champ magnétique produit par l’aimant. L’espacement des Ilgnes de force est une indication de la force magnétique à cette position; la force est plus grande là où les lignes de force sont les plus serrées.

Chaque aimant a deux pôles et on parle d’un dipôle. En fait, un pôle unique ne peut pas exister les pôles sont toujours des aires. Si une barre magnétique est cassée en deux, chaque moitié a encore deux pôles. Puisque les propriétés d’un aimant et des champs magnétiques qui leur sont associés sont liées aux champs magnétiques produits par un courant électrique, et par analogie avec les charges électriques, les pôles magnétiques sont dits positifs Um) et négatifs (- m).

Les pôles de même signe se repoussent et les pôles de signes opposés s’attirent. 2. 2- Définitions 2. 2. 1- Force magnétique Nous avons mentionné les expressions: attraction et répulsion, mais quelle est la force exercée entre les deux pôles magnétique? L’expression de la force magnétique se déduit de la loi de Coulomb pour les pôles magnétiques et son expression symbolique est presque identique à la loi de Newton pour la force d’attraction. Son expression est: (2-1) où, en utilisant, le système d’unités électromagnétiques u. é. (cgs): F est la force exercée sur les pôles sont distants de r(cm); est la perméabilité du milieu autour des aimants; c’est une quantité sans dimension dont la valeur est 1 dans le vide et approximativement 1 d approximativement 1 dans l’air. Si les pôles et ont pour valeur 1 u. é. m et sont distants de 1 m dans le vide (ou dans l’air en pratique), la force exercée est 1 dyne (g. cm/s2). Contrairement à la gravité où la force est toujours attractive, en magnétisme la force est attractive si les pôles sont de signes opposés, répulsives s’ils sont de même signe.

Par convention, le pôle positif est celui attiré vers le pôle N magnétique de la Terre, et le pôle négatif celui attiré vers le pôle S magnétique. On emploie aussi les qualificatifs nord (N) et sud (S) au lieu de positif et négatif. 2. 2. 2- Intensité du champ magnétique IL existe une quantité plus pratique que la force, c’est l’intensité u champ magnétique qui existe en un point de l’espace et qui est produite par un pôle de valeur m, situé à une distance r de ce point.

L’intensité du champ magnétique H se définit comme étant la force sur un pôle unité: (2-2) où m’ est un pôle fictif en ce point de l’espace et, dans la pratique, l’instrument de mesure. On suppose que m’ n’est pas assez grand pour perturber le champ H au point de mesure, ce qui entraîne que Dans le système SI, l’unité de H est le nanotesla ou nT, alors que dans le système cgs, H est exprimé en oersted; l’oersted est égal à 1 dyne/unité de pôle et est égal à 105 gamma. Le gamma est numériquement équivalent au nanotesla mais l’usage courant favorise le nT. 2. 2. – Moment magnétique Si un aimant est placé dans un champ magnétique uniforme H (fig. 2-2), il va subir une paire de forces égales agissant para 0 dans un champ magnétique uniforme H (fig. 2-2), il va subir une paire de forces égales agissant parallèlement à deux autres mais dans le sens opposés: un couple. La magnitude du couple est: (2-3) où spécifie l’orientation originale de l’aimant dans le champ. Le mouvement produit par le couple dépend de l’intensité du champ H aussi bien que de (pas de mouvement si L’autre quantité ml) qui affecte aussi la magnitude du couple est appelée moment magnétique.

Fig. 2-2: Dlagramme montrant le rôle que joue le moment magnétique dans la détermination des forces agissant sur un aimant placé dans un champ magnétique Le moment magnétique est représenté par M: (2-4) 2. 2. 4- Intensité d’aimantation Un corps magnétique, placé dans un champ magnétique extérieur, s’aimante par induction. L’intensité d’aimantation est proportionnelle à la valeur du champ et sa direction est celle du champ. On la défini comme étant le moment magnétique par unité de volume: (2-5) Donc: (2-6) 2. . 5- Susceptibilité magnétique La valeur atteinte par l’intensité d’aimantation dépend de la susceptibilité magnétique du corps, que l’on définit par: (2-7) La susceptibilité est un paramètre essentiel lors dune prospection magnétique; en effet, la réponse des minéraux à un champ magnétique est conditionnée ar la quantité de matériaux magnétiques qui y sont pr -ci ont des valeurs de PAGF s 0 sont présents et ceux-ci ont des valeurs de bien plus fortes que les roches et les minéraux. . 2. 6- Inductlon magnétique Le corps magnétique placé dans champ magnétique extérieur H, a ses pôles internes plus ou moins éloignés et ils créent ux-même un champ, H’, qui augmente le champ à l’intérieur du corps. Ce champ supplémentaire est relié à l’intensité d’aimantation. L’induction magnétique B, est définie comme étant le champ total à l’intérieur du corps. On peut écrire: (2-8) L’Eq. -7 donne: (2-9) Par définition, le rapport de l’induction B à la valeur du champ H d’aimantation est la perméabilité magnétique, qui figurait déj? dans l’E-q. 2-1. Alors l’Eq. 2-9 devient: (2-10) et est la relation entre la susceptibilité et la perméabilité. Dans le système u. é. m, B est exprimé en gauss et la perméabilité en gauss/oersted. Puisque est sans dimension, il en résulte que le gauss a les mêmes dimensions que l’oersted. Cela est désagréable, car il conduit à une confusion dans l’utilisation de B et H.

En réalité, il n’y a pas d’équivalence entre ces deux quantités; en effet, ainsi que nous l’avons dit précédemment, H représente un champ magnétique intrinsèque, alors que B correspond à un champ magnétique induit par le champ magnétique intrinsèque: il peut arriver dans certains matériaux magnétiques que B soit plus grand et provienne d’aimantations anterieures qui n’ont aucun rapport avec la valeur du champ xtérieur en question. 2. 2. 7- Relation entre B et 6 0 question. . 2. 7- Relation entre Bet H 2. 2. 7. 1- Cycle d’Hystérésis Fig. 2 3: (a) Courbe dhystérésis processus d’aimantation d’une substance ferromagnétique selon la théorie des domaines magnétiques. Noter l’ordre d’alignement des domaines lorsque augmente l’intensité du champ extérieur. Si un minéral ferrimagnétique est placé dans un champ magnétique extérieur, une aimantation induite est produite, et le champ extérieur provoque le déplacement de certains domaines magnétiques.

Si le champ extérieur est faible, comme c’est le as pour le champ magnétique terrestre, seul un mouvement limité des domaines magnétiques aura lieu, et il n’y aura pas d’aimantation permanente quand le champ magnétique extérieur est arrêté. Ce comportement est représenté par la fig. 2-3. Lorsque le champ magnétique H est augmenté à Hi, le champ induit Bi est généré, et revient à Osi H est annulé. Cependant, si le champ extérieur est élevé à de grandes valeurs, un plus grand nombre de domaines bouge.

Les domaines dans le bon sens augmentent au dépens des domaines mal orientés, jusqu’à réorganisation complète de ces derniers. Le champ induit augmente jusqu’à un niveau de saturation (point S, fig. 2-3). A ce niveau, même si on augmente H, B ne change plus. Si on réduit le champ extérieur à la valeur O, les valeurs de B suivent la courbe de S à Br. Une partie des domaines changés ne revient plus à l’état initial lors de la diminution de B. Le minéral possède maintenant une aimantation permanente. Cette aimantation est généralement prise pour une aimantation rémanente Br. our retourner à une aimantation nulle, il faut appliquer un champ de polar 7 0 rémanente Br. Pour retourner à une aimantation nulle, il faut appliquer un hamp de polarité inverse dans un premier temps (point c’) puis retourner à une polarité normale (pont c). Ce chemin défini par les valeurs de l’aimantation induite est connu sous le nom de courbe d’hystérésis. 2. 2. 7. 2- Aimantation rémanente Dans beaucoup de cas, l’aimantation des roches dépend surtout de la valeur effective du champ géomagnétique ambiant et de la quantité de minéraux 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 épend de l’histoire magnétique des roches. Ce résidu est appelé Aimantation Rémanente Normale (ARN) et peut avoir des origines diverses: (1 Aimantation Thermorémanente (ATR): acquise lors du refroidissement des roches, en dessous de la température de Curie, en présence d’un champ magnétique extérieur. La rémanence acquise de cette façon est particulièrement stable.

C’est le mécanisme essentiel de l’amantation des roches ignées. (2)- Aimantation Rémanente Chimique (ARC): elle existe lorsque les grains magnétiques (ferromagnétiques) grandissent ou passent d’une forme à une autre sous une action chimique, ? empératures modérées, c’est-à-dire au-dessous du point de Curie. Ce processus est particulièrement important dans les roches sédimentaires et métamorphiques. (3)- Aimantation Rémanente détritique (ARD): elle se produit lors du dépôt lent des particules (ferromagnétiques) de très petites tailles, en présence d’un champ magnétique extérieur.

Les argi (ferromagnétiques) de très petites tailles, en présence d’un champ magnétique extérieur. Les argiles varvés présentent ce type de rémanence. L’exposé précédent montre que les phénomènes d’aimantation résiduelle sont très complexes. es études de l’histoire agnétique de la Terre (paléomagnétisme) ont montré que le champ magnétique 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 complètement disparu durant une période appréciable, ou qu’il ait existé sous une autre forme que celui d’un dipôle. Des études paléomagnétiques ont montré que beaucoup de roches présentaient une aimantation rémanente qui était orientée dans un sens opposé à celui du champ actuel; de tel résu tat appuie (ou étaient à l’origine) de l’hypothèse de la tectonique des laques. 3- Magnétisme des roches et des minéraux Examinons maintenant avec plus de détail le processus d’aimantation.

Sur la base de leur susceptibilité magnétique, les minéraux sont classés en mineraux diamagnétiques et paramagnétiques. 3. 1- Diamagnétisme Une matière est dite diamagnétique lorsqu’elle a une susceptibilité magnétique négative. Cela revient à dire que l’intensité de l’aimantation induite (Eq. 2-7) par le champ H est de sens opposé à H. Mais les valeurs de susceptibilité sont si faibles que l’effet des matériaux diamagnétiques reste négligeable evant les autres formes de magnétisme. Les matériaux diamagnétiques les plus communs dans la Terre sont. e graphite, le marbre, le quartz, le feldspath et le sel. Le diamagnétisme est caractéristique des atomes dont les orbi PAGF 0 feldspath et le sel. Le diamagnétisme est caractéristique des atomes dont les orbites sont complètement remplis et la somme des moments propres est nulle si H=O. 3. 2- Paramagnétisme par définition, les matériaux qui ne sont pas diamagnétiques sont paramagnétiques, c’est-à-dire que K est positif, mais de faible valeur. Dans une matière paramagnétique, chaque tome ou molécule a un moment magnétique propre lorsque le champ extérieur est nul.

Le paramagnétisme est caractéristique des substances dont les orbitales inférieurs ne sont pas complètement remplis. On peut donner comme exemple les sllicates ferromagnétiques tel que: le pyroxène, l’amphibole et l’olivine. 3. 2. 1- Ferromagnétisme Le fer, le cobalt et le nickel sont des éléments paramagnétiques dans lesquels l’interaction magnétique entre atomes et groupes d’atomes est si forte qu’il y a un alignement des moment dans des régions (appelées aussi domaines magnétiques), de la matière (de dimension = 10-4 cm, fig. -4a).

Alors que les susceptibilités magnétiques des matériaux paramagnétiques et diamagnétiques sont bien moindres que 10-3 u. é. m, les minéraux ferromagnétiques ont des valeurs 106 fois plus grandes. Le ferromagnétisme diminue avec la température et disparaît complètement à la température de Curie. Les minéraux ferromagnétiques n’existent apparemment pas dans la Terre ( ils sont présents dans les météorites). Fig. 2-4: Représentation schématique des domaines magnétiques pour un matériel (a) ferromagnétique, (b) antiforrmagnétique et (c) ferrimagnétique. 3. 2. 2- Ferrimagnétisme