III.1.2. Principe
Parmi les méthodes géophysiques de grande
reconnaissance, ou de grandes profondeurs, la
magnétométrie est l'une des méthodes
utilisées pour la reconnaissance des grands bassins
sédimentaires, reposant sur un socle basique ou ultra basique fortement
dense ou fortement magnétisé.
Le contraste entre ce socle fortement magnétisé
et l'épaisse couche sédimentaire amagnétique permet de
dresser la topographie du socle et par conséquent l'évolution de
la profondeur du bassin, cette dernière contribuera au bon choix de la
méthode géophysique dite détaillée ou semi
détaillée à la localisation des structures favorables
à l'emmagasinement des hydrocarbures ou des ressources hydriques.
III.1.3. Préalables théoriques sur le
magnétisme a. Le champ magnétique
Dans n'importe quel point de la surface de la terre,
l'aiguille de la boussole s'oriente. Cette orientation témoigne la
présence d'un champ magnétique naturel lié à la
terre. L'étude de l'action réciproque d'un aimant et d'une
aiguille aimantée, fait ressortir que tout se passe comme si l'aimant et
l'aiguille portaient des "masses magnétiques" positives et
négatives susceptible d'être mesurées quantitativement.
Deux masses magnétiques m1 et m2
s'attirent si elles sont de signes contraires et se repoussent si elles
ont le même signe, par des forces proportionnelles au produit de leur
masse et en raison inverse du carré de leur distance "r" avec r,
le vecteur unitaire joignant m1 et m2 (Charles
COULOMB 1736-1906).
(3.1) (dans le vide)
(3.1') (dans un milieu ambiant matériel) où : u
représente la perméabilité magnétique du milieu,
dans le vide la perméabilité est égale à
l'unité.
Par définition, le champ magnétique H
en un point P est représenté par la force qui agirait sur
une masse magnétique unitaire "m1" (m1 =1)
localisée en ce point. Cette force peut être: Attractive
lorsque
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m1 et m2 sont de signes contraires;
Répulsive si m1et m2 sont de même signe.
Un corps magnétique placé dans un champ
magnétique externe H, aura ses pôles magnétiques
plus ou moins alignés sous l'effet de H, produisant un champ
H0 relié à l'intensité de la magnétisation
M. L'induction magnétique B
sera alors le champ total incluant l'effet de l'aimantation. (Bernard
Giroux, Michel Chouteau, 2008)
Dans le S.I, avec perméabilité du milieu,
perméabilité du vide (de l'air), on a : (3.3) ;
où B
est exprimé en T (tesla) et H en .
Dans le CGS, où B est exprimé en
gauss et H en Oersted.
b. Moment dipolaire magnétique
Le pôle magnétique est par définition le
point de la surface de la Terre où une aiguille d'une boussole se
dirigerait vers le bas, soit le lieu où le champ magnétique est
vertical. Le pôle magnétique Nord possède un champ
magnétique plus faible que celui du pôle Sud, ce qui signifie que
le centre du dipôle est légèrement plus
décalé du centre de celui-ci. L'axe de ce dipôle coupe la
surface de la terre au point 78.5N et 69W. Par ailleurs des études
paléomagnétiques montrent que cet axe ne s'est jamais trop
éloigné de l'axe de 11°5 avec l'axe de rotation de la
terre.
Par analogie avec les charges électriques telles que
rencontrées en électrostatique, on définit de même
en magnétisme, la notion de masse magnétique :
? Les masses magnétiques sont supposées
positives si elles se rapportent au pôle Nord, dans le cas d'un aimant ou
d'un Nord magnétique.
? Les masses magnétiques sont supposées
négatives si elles se rapportent au pôle Sud (pôle
magnétique Sud).
Il n'y a pas de pôle magnétique libre. Seul le
dipôle, association de deux pôles -p et +p séparés
d'une distance l, a une signification physique. Le moment magnétique M
du dipôle est un vecteur dirigé suivant la droite joignant -p
à +p, orienté de -p à +p et d'intensité
(Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008):
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c.
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(3.5)
Intensité magnétique et intensité
d'aimantation
En tout point, il existe un champ magnétique qui se
caractérise par son intensité "T". Elle représente la
force agissant sur l'unité de masse magnétique.
Si de l'expression (3.1'), on pose p= 1 et m1=1,
elle devient:
avec (3.6)
Un corps magnétisable placé dans un champ
magnétique externe sera aimanté par induction. L'intensité
de la magnétisation M est définie comme le moment
magnétique par unité de volume V.
(3.7)
Le vecteur M porte souvent le nom de polarisation
magnétique parce que l'induction tend à aligner les dipôles
du corps magnétique. Le vecteur M peut aussi être vu comme la
force des pôles par unité de surface S aux
extrémités, c'est-à-dire :
(3.7')(Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008)
d. Susceptibilité magnétique
(Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008)
L'intensité de la magnétisation M est
proportionnelle à la force du champ et sa direction est dans celle du
champ. Le degré de magnétisation d'un corps sera
déterminé par sa susceptibilité magnétique k.
(3.8)
En prospection magnétique, la susceptibilité
magnétique est un paramètre fondamental, puisque la
réponse magnétique des roches est fonction du contenu en
matériel magnétique, qui lui aura une susceptibilité
beaucoup plus grande que celle de la roche elle-même.
La susceptibilité dans le système CGS
diffère de la susceptibilité en unités SI, tel que :
(3.9)
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III.1.4. Champ magnétique terrestre a.
Introduction
En tout point du globe terrestre, l'aiguille d'une boussole
prend une direction bien déterminée, ce qui indique l'existence
d'un champ magnétique naturel lié à la terre
(appelé champ magnétique terrestre ou champ
géomagnétique).
Le champ magnétique peut être défini par
trois composantes en tout point donné, soient
? nord X ;
? sud Y ;
? verticale Z.
Très souvent, on donne une valeur exprimée par
la grandeur du champ total F, sa déclinaison D ainsi que son inclinaison
I. La déclinaison D est l'angle entre la composante horizontale du champ
et le nord géographique. L'inclinaison I est l'angle entre F et
l'horizontale.
De cette figure, résultent les relations reliant le
champ, ses composantes et la déclinaison et l'inclinaison :
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Le champ magnétique de la terre peut être
approximé par un champ dipolaire. Il est en réalité trop
complexe pour être exprimé par une fonction mathématique
simple, mais il peut être considéré, sur quelques centaines
de km, comme uniforme et le bruit de fond géologique est facilement
observable. Le champ F a une intensité de 60 à 70 ìT aux
pôles magnétiques (I = #177;90°) et minimale de 25 à
30 ìT à l'équateur magnétique (I =0°).
A l'heure actuelle, l'unité utilisée en
prospection magnétométrique est le nano tesla (nT), qui par le
jeu de transformation
est exactement égal à l'ancienne unité, le :
1nT = = 1
b. Origine du champ principal (Bernard
Giroux, Michel Chouteau, 2008)
Le champ magnétique principal peut théoriquement
être causé par une source interne ou externe dont le
magnétisme peut être rémanent ou engendré par un
flux de courant.
Des analyses mathématiques du champ observé
à la surface du globe démontrent qu'au moins 99% est causé
par des sources internes et 1% par des sources extérieures à la
terre.
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Plusieurs hypothèses ont été
avancées pour expliquer les mécanismes des sources internes, dont
l'actuelle (acceptable) est celle de la dynamo.
Cette dernière suggère que le champ
magnétique terrestre est créé et entretenu par un
processus d'induction.
Des courants électriques intenses circuleraient dans le
noyau extérieur possédant une conductibilité
électrique très forte (noyau extérieur : la partie liquide
du noyau située entre r= 1300 et 3500 km).
On assume aujourd'hui que le noyau est une combinaison de fer
(Fe) et de nickel (Ni), tous deux de bon conducteurs électriques.
Même si le noyau était formé d'éléments moins
conducteurs, l'énorme pression retrouvée pourrait presser les
électrons de façon à former des gaz à
électrons libres de conductivité satisfaisante.
La source magnétique est illustrée par le
modèle auto-excité. C'est-à-dire, un fluide de grande
conductivité bouge dans un mouvement complexe et des courants
électriques sont causés par des variations chimiques produisant
un champ magnétique.
Le champ magnétique actuel est la résultante de
trois principales composantes ayant pour sources: Source interne (champ
principal), source externe (champ transitoire), et la source induite (champ
anomalique).
c. Variation du Champ magnétique dans le temps
A. Variations internes séculaires
Les terres cuites et les roches volcaniques s'aimantent en se
refroidissant dans le champ magnétique terrestre; les aimantations
thermorémanentes ainsi acquises permettent de retrouver le champ
magnétique terrestre au cours des périodes historiques et
préhistoriques: c'est le domaine de l'archéomagnétisme,
qui peut avoir des applications en archéologie.
Le paléomagnétisme s'intéresse aux roches
plus anciennes, qui portent des aimantations rémanentes dont les
âges occupent toute l'échelle des temps géologiques.
On admet aujourd'hui que le champ magnétique terrestre
s'est fréquemment inversé au cours des temps géologiques.
Cette inversion du champ magnétique terrestre au cours des temps
géologiques
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est maintenant universellement admise, car plusieurs
études l'ont bien établie, par la mise en évidence des
polarités directe et inverse des roches.
Leurs sources sont mal expliquées, mais on pense
qu'elles sont reliées aux changements de courants de convection dans le
noyau, au couplage à la limite noyau-manteau et à la vitesse de
rotation de la terre.
B. Variations externes
Les variations du champ magnétique sont de plusieurs
types : variations journalières ou diurnes (dues aux courants
électriques dans l'ionosphère), variations impulsives (action des
vents solaires sur la magnétosphère terrestre), tempêtes
magnétiques (celles qui affecte le plus les levés), micro
pulsations magnétiques (de courte période).
d. Propriétés magnétiques des roches
(Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008)
Tous les matériaux peuvent être classés
à l'intérieur de trois grands groupes définissant leurs
propriétés magnétiques :
Si k < 0, on parle de diamagnétisme.
L'intensité de la magnétisation induite est dans la
direction opposée au champ inducteur. Phénomène faible,
réversible, affecte tous les corps et souvent caché par un autre
phénomène. Ex. : quartz, feldspath, sel.
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Si k > 0, la substance est alors
paramagnétique. Comme le diamagnétisme,
c'est un phénomène faible et réversible, mais tend
à renforcer l'action du champ inducteur. Le champ induit
décroît cependant avec la température. Ex. : les
métaux, gneiss, pegmatite, dolomie, syénite.
Dans le cas de substances ferromagnétiques,
les moments magnétiques de chaque atome s'alignent
spontanément dans des régions appelées domaines et cela
même en l'absence de champ magnétique externe. En
général, le moment magnétique total est nul parce que les
différents domaines ont des orientations différentes et leurs
effets s'annulent. Le ferromagnétisme disparaît si on
dépasse une certaine température, appelée point de
Curie.
Si les moments magnétiques d'une substance sont
antiparallèles dans les domaines et de grandeurs différentes, le
moment magnétique total est différent de zéro. La
substance est alors appelée ferrimagnétique.
Ex. : magnétite, ilménite. Dans le cas d'une
substance ferrimagnétique dont la somme de moments parallèles et
antiparallèles est nulle, on parle d'antiferromagnétisme. Ex. :
hématite.
La susceptibilité d'une roche est entièrement
dépendante de la quantité de minéraux
ferromagnétiques qu'elle contient, de la dimension des grains et de leur
distribution. C'est donc une propriété très variable et il
est pratiquement impossible de prédire la teneur en minéraux
à partir de la susceptibilité.
La sensibilité minimale requise pour mesurer les
anomalies avec suffisamment des détails est de #177;5 nT. Il est alors
possible de détecter des anomalies provenant de sources situées
à plus de 10 000 mètres de profondeur.
Comme le champ induit est proportionnel au champ ambiant, les
anomalies seront plus intenses aux hautes latitudes magnétiques
qu'à l'équateur magnétique.
La figure III.4 matérialise les
propriétés magnétiques des roches suivant leur
susceptibilité magnétique :
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