Fabrique magnétique

Nous mesurons en laboratoire la fabrique magnétique des matériaux géologiques. Nous utilisons cette propriété physique pour caractériser l’état de la déformation finie de roches qui ont été soumises à des régimes de contraintes naturelles. La fabrique magnétique fait partie des méthodes analytiques utilisées dans le domaine des Sciences de la Terre pour la détermination de la pétro-fabrique des roches et accéder de façon indirecte à la texture des roches.

Les objets géologiques que nous étudions sont principalement situés dans les zones externes des chaînes de montagnes. L’intérêt majeur d’utiliser la fabrique magnétique dans de telles zones tient au fait que les marqueurs macroscopiques de la déformation s’expriment peu ou pas à l’échelle de l’affleurement et généralement les structures que l'on peut observer sur le terrain sont le produit de la tectonique cassante. La fabrique magnétique permet alors dans de ce type de contexte d’accéder à la déformation interne des roches, invisible sur le terrain.

Les principaux atouts de cette technique sont sa sensibilité, la rapidité d’acquisition des mesures et la simplicité de mise en œuvre. En particulier l'anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM) permet de détecter des anisotropies associées aux déformations inférieures à 1% sur des échantillons de 10 cm3 en moins de 5 minutes. Avec cette méthode, une mesure permet de moyenner l’orientation préférentielle de 10e3 à 10e9 grains. Pour les interprétations on distingue 3 types minéraux qui vont contribuer au signal mesuré : les grains ferromagnétiques (magnétites, hématites, sulfures de fer), les paramagnétiques (argiles, silicates riches en fer-magnésium) et les diamagnétiques (calcites, quartz).

L'ASM est actuellement la méthode d’acquisition de la pétrofabrique magnétique la plus performante dans le domaine des Sciences de la Terre de par sa rapidité de mise en œuvre et sa sensibilité. En contrepartie sa principale limite réside dans la difficulté de séparer les différentes contributions au signal. Pour palier à cela des méthodes de mesure plus discriminante ont été développées, comme l'anisotropie de rémanence magnétique ou l'anisotropie en champ fort.

Principe de la méthode:

• Origine de l’anisotropie magnétique à l’échelle du grain

Le principe de la méthode est basé sur le fait que l’aimantation d’une substance cristallisée s’oriente préférentiellement selon certaines de ses directions cristallographiques. Ces directions sont les axes de facile aimantation. L’anisotropie qui apparaît ainsi porte le nom d’anisotropie magnétocristalline. Cette anisotropie est liée à la symétrie de la substance cristallisée et elle concerne tous les minéraux présents dans les roches (substances dia-paramagnétiques et ferromagnétiques au sens large). L’intensité de l’anisotropie magnétocristalline va dépendre de degré de symétrie du minéral. Plus son degré de symétrie est élevé moins l’intensité de l’anisotropie est prononcée.

Une autre "source" d’anisotropie magnétique, l’anisotropie de forme, peut aussi contribuer à la mesure de l’anisotropie magnétique dans les roches. Elle est liée à la forme du cristal et du champ démagnétisant qui lui est associé. Elle devient prépondérante devant l’anisotropie magnétocristalline quand, d’une part, la susceptibilité de la substance est grande et, d’autre part, quand la symétrie du cristal est élevée. On admet qu’elle ne concerne que la magnétite et ses dérivés enrichis en titane.

• L’anisotropie magnétique et la fabrique magnétique à l’échelle de l’échantillon

Quand le champ magnétique appliqué est faible (de l’ordre du champ magnétique terrestre, soit environ 50.10-6 T) la relation entre le champ appliqué dans l’espace et l’aimantation mesurée peut être décrite par un tenseur symétrique de rang deux. Nous associons l’anisotropie ainsi déduite de la mesure de l’aimantation à l’orientation préférentielle des axes de facile aimantation (si l’anisotropie intrinsèque est magnétocristalline), ou à des directions de facile aimantation (si l’anisotropie intrinsèque et liée à la forme).

La fabrique magnétique est la distribution des axes d’anisotropie du tenseur mesuré sur une population d’échantillons (plus de 10 échantillons). On représente les axes de la fabrique magnétique dans un diagramme stéréographique equi-aire en projection sur l’hémisphère inférieur. Trois axes perpendiculaires deux à deux sont ainsi représentés : l’axe maximum (un carré), intermédiaire (un rectangle), minimum (un cercle). Ainsi en décrivant les tenseurs d'anisotropie, le géologue définit des objets géométriques familiers telles que la linéation magnétique (l'axe maximum) et la foliation magnétique (dont le pole est l’axe minimum). Ces objets sont alors directement comparés -et très souvent comparables- à la pétrofabrique de la roche. Une moyenne de l'ensemble de tenseurs mesurés sur chaque échantillon (la moyenne tensorielle) permet de calculer des directions moyennes et leur variabilité autour de cette moyenne et précisent l’homogénéité de la fabrique à l’échelle de plusieurs échantillons (4 à 6 dans les granites, mais généralement de 8 à 16 dans les autres roches).

• Les différents types d’anisotropie mesurés à Cergy

Nous avons indiqué précédemment que la mesure de la fabrique magnétique était influencée par la nature des propriétés magnétiques de minéraux présents dans les roches étudiées. Différentes méthodes ont été développés par les spécialistes du magnétisme pour le géosciences. A Cergy-Pontoise nous utilisons plusieurs de ses techniques afin d'accéder à la fabrique magnétique des roches. Elles diffèrent les unes des autres par la nature de l’aimantation qui est mesurée, aimantation induite ou aimantation rémanente:

- Méthode par mesure d'aimantation induite : l’anisotropie de la Susceptibilité Magnétique en champ faible (ASM) est de loin la méthode la plus couramment utilisée pour mesurer la fabrique magnétique des roches. On peut se reporter aux articles de revue écrits sur la méthode et ses applications géologiques par Hrouda (1982), Borradaile (1988) et Rochette et al. (1992), Borradaile et Henry(1997).

- Méthode par mesure d'aimantation rémanente : l’Anisotropie de la Rémanence (AR) est obtenue à partir de la mesure de l’Aimantation Rémanente Isotherme (ARI) ou de l’Aimantation Rémanente Anhystérétique (ARA). A l’origine, ce type d’anisotropie était déterminé pour estimer l’erreur faite sur la mesure de l’inclinaison du vecteur paléomagnétique enregistrée naturellement dans les roches. En effet, une forte anisotropie intrinsèque des minéraux ferromagnétiques présents dans la roche, induira une déviation de l’aimantation rémanente naturelle par rapport un champ magnétique terrestre.

L’intérêt de mesurer l'AR est qu’elle permet d’accéder de façon sélective aux seules espèces ferromagnétiques s.l. présentes dans la roche. En revanche l’ASM, donne la distribution de l’ensemble des espèces qui constituent la roche (dia- para- et ferromagnétique).

Jackson (1990) traite de l’utilisation de ces deux techniques et donne un bon aperçu des potentialités qu’elles offrent sur la base d’applications géologiques. Des publications du laboratoire illustrent les applications de cette technique dans les zones externes des chaînes de montagne en particulier pour étudier les déformations engendrées lors de l’inversion de bassins d’avant pays : Aubourg & Robion (GJI,2002) et Souque et al., (PCE, 2002).

• Les équipements disponibles au laboratoire:

L’ensemble des appareils disponibles permet de faire des études complètes de l’anisotropie magnétique (rémanence et susceptibilité) et de déterminer les caractéristiques essentielles des minéraux magnétiques présent dans nos échantillons (moment rémanent à saturation et température de blocage). L’aimantation qu’elle soit produite par un champ continu ou par la combinaison d’un champ alternatif et d’un champ continu est mesurée avec un magnétomètre spinner de type JR-6A :

Par ailleurs nous pouvons aussi réaliser des études paléomagnétiques complètes grâce à notre magnétomètre JR-6A associé au four et désaimanteur par champ alternatif.

• Acquisition de l’Anisotropie de Susceptibilité Magnétique (ASM) :

- Un pont d’impédance de type Kappabridge AGICO KLY3S :

 

• Acquisition d’Aimantation Rémanente Isotherme (ARI) :

- Aimantation :une bobine en champ continu Faible de 0 et 20 mT : AGICO PUM-1 ;

- Aimantation Rémanente Anhystérétique (ARA) : Une bobine système AGICOAMU-1 qui comprend une bobine en champ alternatif (champ maximum applicable 100 mT) couplée à une bobine en champ continu (de 0 à 200 microT).

• Autres appareils permettant la détermination de la minéralogie magnétique :

- Un Pulse Magnetizer ASC SCIENTIFIC modèle IM0. Cet appareil permet de réaliser des courbes de saturation jusqu’à 1,7T ;

- Un four désaimanteur fait maison, compartiment chauffe et compartiment refroidissant. Avec ce four on désaimante par étapes successives jusqu’à 700°C. La capacité du four est de 24 échantillons en chauffe et 24 échantillons en refroidissement.