Enregistrement du champ: aimantation rémanente des minéraux

1.4.1. Les premières observations

Ce n’est qu’au 19^ème siècle que l’on s’aperçoit que certains minéraux ont la propriété d’avoir une aimantation rémanente, c'est-à-dire la capacité à enregistrer la direction du champ magnétique à un instant donné. Ainsi, en 1853 Meloni constate que certaines laves du Vésuve sont aimantées et perdent leur aimantation après chauffage. Ces observations sont confirmées par les physiciens Brunhes et David de l’observatoire du Puy de Dôme qui au début du 20^ème siècle observent des terres cuites aimantées à proximité de laves.

1.4.2. Le moment magnétique atomique

Les processus physiques qui expliquent les propriétés d’aimantation rémanente sont complexes et font appel à des notions de physique quantique.

Fig. 2.3: modèle

électromécanique de la Dynamo auto-exité (tiré de Butler, 1992).

Il consiste en un disque conducteur, en constante rotation autour d’un axe et connecté à un solénoïde . L’application d’un champ magnétique initial va créer un courant électrique dans le disque en rotation qui lui-même va créer un champ induit dans le solénoïde, champ induit qui à son tour va créer un courant dans le disque et ainsi de suite.

Chaque atome dispose d’un certain nombre d’électrons qui sont répartis sur i couches électroniques, avec i=1,2,3…n et 2n² électrons par couche (la répartition des électrons sur ces différentes couches n’est pas aléatoire et respecte la règle de Klechkowsky – voir Fig. 2.4).

Les électrons sont animés de deux types de mouvements :

• une rotation propre à l’image d’une toupie qui crée un moment magnétique nommé Spin

• une rotation autour de l’atome suivant des orbitales qui créé également un moment magnétique

Il existe 5 types d’orbitales avec au maximum deux électrons dits appariés par orbitale. On nomme moment magnétique atomique la résultante global pour un atome de l’ensemble des moments magnétiques crées par les mouvements électroniques de cet atome. En général lorsque l’atome est entouré par des électrons répartis dans les couches électroniques de manière appariée, le moment magnétique atomique est nul (ex: les terre rare). En revanche les atomes présentant des couches où les électrons sont non appariés possèdent souvent un moment magnétique atomique fort.

Fig.2.4 : règle de remplissage des couches électronique de Klechkowsky et exemple de la structure électronique du Fer (Fe : [Ar] 4s² 3d⁶)

Ainsi le Fer composé de 26 électrons présente sur sa couche n=3 quatre électrons non appariés (en rouge sur la Fig. 2.3) et possède donc un moment magnétique atomique fort. Ce qui explique notamment les propriétés magnétiques des oxy-hydroxydes de fer depuis longtemps observées. Par ailleurs dans certains minéraux, l’organisation du réseau cristallin est telle que des orbitales électroniques de différents atomes se recoupent. Il en résulte des moments magnétiques atomiques fortement couplés.

1.4.3. La notion de domaine magnétique

A l’échelle du réseau cristallin l’aimantation n’est pas toujours uniforme et se subdivise suivant des domaines magnétiques. Chaque domaine présente une aimantation totale qui lui est propre, résultante de la somme des moments atomiques. Suivant l’organisation des domaines magnétiques on distinguera plusieurs types de grains :

• grains monodomaines (MD) dont la taille est suffisamment petite pour n’être constituée que d’un seul domaine magnétique

• grains pluridomaines (PD) constitué par plusieurs domaines magnétiques

• grains pseudo-monodomaines (PMD) qui sont constitué par un faible nombre de domaines magnétique et dont le comportement est proche des MD.

1.4.4. Propriétés magnétiques des minéraux

Les propriétés magnétiques vont donc dépendre de deux principaux paramètres (i) la nature des éléments chimiques qui imposent le nombre d’électrons et la structuration des couches électroniques et (ii) l’organisation du réseau cristallin.

Ainsi, en présence d’un champ magnétique appliqué H, on distingue plusieurs types de comportement magnétique des minéraux :

• Le diamagnétisme (Fig. 2.4-a). En présence d’un champ H les minéraux diamagnétiques présentent une aimanatation de faible intensité dont l’orientation est parallèle à H mais de direction opposée. Dans ce cas la susceptibilité χ est toujours négative et faible (~10^-5 S.I). Il s’agit de la plupart des matériaux existant ne présentant pas de moment magnétique atomique important. Les minéraux diamagnétiques les plus communs sont la calcite et le quartz.

• Le paramagnétisme (Fig. 2.4-b). En présence d’un champ H les minéraux paramagnétiques présentent une aimantation de même orientation et de même direction que celles du champ H. Mais ces minéraux perdent toute aimantation lorsque H est absent. La susceptibilité χ est toujours positive mais reste faible (~10^-4 à 10^-5). Ces minéraux présentent des moments magnétiques atomiques qui s’orientent suivant le champ appliqué H, mais qui sont orientés aléatoirement en l’absence de celui-ci. Les minéraux paramagnétiques typiques sont les phyllosilicates de type micas.

• Le ferromagnétisme (Fig. 2.4-c) sensu lato. En présence d’un champ H les minéraux ferromagnétiques possèdent une aimantation de forte intensité qui s’oriente parallèlement et suivant la même direction que le champ H. Contrairement au comportement décris précédemment, les minéraux ferromagnétiques ont la propriété de conserver une aimantation, dite aimantation rémanente, en l’absence d’un champ appliqué. De plus la susceptibilité est toujours positive (en champ faible, <500 mT) et en général forte (~10^-3 S.I). Les minéraux ferromagnétiques sont caractérisés par des moments magnétiques atomiques forts, le plus souvent liés à la présence de fer (oxy-hydroxyde de fer) et d’éléments de transition (Ni, Co…), et à des réseaux cristallins qui impliquent de nombreux recouvrements orbitaux et donc des interactions atomiques nombreuses avec des couplages forts par exemple entre les différentes couches atomiques.

Fig 2.4 : Aimantation J en fonction du champ magnétique H appliqué pour des minéraux (a) diamagnétiques (b) paramagnétiques et (c) ferromagnétiques (tiré de Bulter, 1992)

Ces phénomènes de couplage atomique vont dépendre de la nature des éléments et du réseau cristallin. Ainsi, suivant la nature du couplage on distinguera trois “sous classes” de ferromagnétisme (Fig. 2.5) à savoir : (i) le ferromagnétisme sensu stricto (ii) le ferrimagnétisme et (iii) l’antiferromagnétisme. Par ailleurs, les solides ferromagnétique et ferrimagnétique (ex : magnétite) sont le plus souvent constitués par un assemblage de grains (MD ou PMD). Or l’aimantation totale de ces assemblages est saturée en présence d’un champ fort et la susceptibilité devient nulle (Fig. 2-4 c) alors que les solides antiferromagnétique (ex : hématite, goethite) présentent une susceptibilité toujours positive et sont difficilement saturés.

Fig. 2.5 : schéma illustrant les différents types de comportement

ferromagnétique et les couplages atomiques associés (d’après Butler, 1992)

Les minéraux ferromagnétiques (sensu lato) les plus communs sont les Titano-Magnétite de type spinel – solution solide ülvospinel (Fe2TiO4)/Magnétite (Fe3O4)- ou TitanoHématite – solution solide Illménite (FeTiO3)/Hématite(Fe2O3).

1.4.5. Acquisition de l’aimantation rémanente : exemple de l’aimantation rémanente détritique (ARD)

Une roche détritique sédimentaire est constituée par différentes particules parmi lesquelles des particules magnétiques (ex : grain d’hématite ou de magnétite). Lors de la phase de sédimentation, dans le cas d’un milieu de dépôt aquatique, ces particules sont principalement soumises à deux types de forces : les forces hydrodynamiques et les forces magnétiques (Fig.

2.6). De manière moindre l’orientation des grains est également soumise à des forces mécaniques sur le fond et à des interactions entre les grains eux-mêmes. Si le milieu de dépôt est suffisamment calme (lac, haut fond marin…) les forces hydrodynamiques sont négligeables et lors de la chute dans la colonne d’eau les particules magnétiques vont s’orienter suivant la direction du champ magnétique ambiant, à l’image d’une boussole.

Cependant les particules doivent être suffisamment fines (<0.5 mm en moyenne) pour que les forces magnétiques soient efficaces afin de permettre l’orientation suivant la direction du champ magnétique. L’ARD est un processus qui aura tendance à moyenner l’orientation et la direction du champ sur une période qui dépendra notamment des vitesses de sédimentation et de compactions des roches détritiques sédimentaires. Mais l’ARD est également un processus qui permet d’enregistrer l’intensité du champ magnétique au moment du dépôt.

Cependant les roches sédimentaires détritiques sont parfois réaimentées c'est-à-dire qu’elles perdent leur aimantation rémanente originelle au profit d’une aimantation rémanente postérieure. Ce phénomène est largement dépendant de la nature des grains magnétiques. En effet les grains MD présentent le plus souvent une coercitivité forte c'est-à-dire qu’ils sont difficilement réaimantables, alors que des grains PD présentent une coercitivité plus faible.