[PDF] Les fluctuations du champ magnétique terrestre: des variations

View - Download Les fluctuations du champ magnétique terrestre: des variations

Previous PDF

Next PDF

GÉOSCIENCES MONTPELLIER

ÉCOLE DOCTORALE SIBAGHE

THÈSE

présentée par

Grégory Fanjat

le 29 juin 2012 en vue de l"obtention du

DOCTORAT DE L"UNIVERSITÉ DE MONTPELLIER 2

Spécialité : Physique et Chimie de la Terre

Les fluctuations du champ magnétique terrestre : des variations séculaires récentes aux renversements

JURY :

M. ALVA-VALDIVIA LuisProfesseur à l"Université de Mexico Invité M. BOUCHEZ Jean LucProfesseur à l"Université de Toulouse Examinateur M. CAMPS PierreChargé de Recherche à l"Université Montpellier 2 Directeur de thèse M. CATTIN RodolpheProfesseur à l"Université Montpellier 2 Président du jury M. DEKKERS MarkProfesseur à l"Université d"Utrecht Rapporteur M. GALLET YvesDirecteur de Recherche à l"IPGP Rapporteur M. ROPERCH PierrickDirecteur de Recherche à l"Université de Rennes Examinateur i ii

Résumé

Le champ magnétique terrestre présente une vaste gamme de variations temporelles, de

l"année à plusieurs millions d"années. J"ai étudié au coursde ma thèse divers aspects de ces

fluctuations, des variations séculaires récentes aux renversements.

La première partie de ma thèse porte sur l"archéomagnétisme, discipline qui permet de re-

tracer l"évolution temporelle du champ magnétique terrestre au travers des derniers millénaires,

principalement à partir des matériaux archéologiques. J"ai étudié deux jeux d"échantillons pro-

venant pour l"un de la Grèce (période néolithique, 6800-3200 avant J.C.) et pour l"autre du

Mexique (Palenque, période Maya Classique 320-840 après J.C.), dans le but d"acquérir de nou-

velles données d"archéointensité et de mieux contraindre la variation séculaire du champ magné-

tique terrestre. La comparaison de mes données avec celles disponibles dans la bibliographie et

avec les différents modèles globaux et régionaux a mis en évidence que les variations séculaires

au Néolithique en Grèce et au cours du premier millénaire en Amérique Centrale sont très mal

définies. Mes données suggèrent que des composantes locales, non prisent en compte dans les

modèles globaux peuvent exister au niveau de ces régions. Elles renforcent l"intérêt de développer

des modèles régionaux précis. Pour ce faire, l"acquisitionde nouvelles données de haute qualité

est un élément majeur. La deuxième partie traite de la description d"un renversement du champ magnétique ter-

restre. Cette étude a été basée sur deux points précis : étudier les directions transitionnelles

afin d"apporter de nouvelles contraintes sur le possible confinement longitudinal des pôles géo-

magnétiques virtuels (PGV) d"une part, et d"autre part vérifier des paléointensités transition-

nelles obtenues sur la séquence volcanique d"Akaroa (Nouvelle Zélande), dont l"intensité est

significativement supérieure à celles des intensités avantet après le renversement. Nous avons

ré-échantillonné cette séquence, et l"évolution directionnelle obtenue pour ce renversement est

une succession complexe de polarités N-T-R-T-N-T-R. Les PGV obtenus semblent se regrouper

sous deux bandes longitudinales sous l"Australie et l"Amérique, ce qui renforce l"hypothèse d"une

interaction entre le manteau et le noyau sur plusieurs millions d"années. Suite à une étude de

minéralogie magnétique, j"ai sélectionné les échantillons susceptibles de fournir une valeur de

paléointensité par les méthodes de Thellier et du multispecimen. Les paléointensités obtenues

sont relativement faibles (environ 20μT) au cours du changement de polarité et forte à la fin

de la séquence. Mon interprétation, basée à la fois sur les valeurs de l"intensité du champ et

sur les données radiochronologiques montrant que la séquence s"est mise en place très rapide-

ment, est de considérer que seul le renversement C4Ar.1n-C4Ar.1r a été enregistré dans cette

séquence. Dans cette hypothèse, le renversement montre un cheminement complexe comparable

à d"autres renversements enregistrés dans l"hémisphère nord (comme celui de la Steens Mountain

par exemple), incluant un phénomène de rebond avant de se stabiliser.

La troisième partie de ma thèse est consacrée au développement d"une nouvelle méthodolo-

gie et d"un nouvel appareillage pour déterminer des paléointensités. Le faible taux de réussite

des expériences de paléointensité de l"étude précédente m"a poussé à m"intéresser au protocole

multispecimen, qui peut s"appliquer aux échantillons possédant un comportement polydomaine.

L"inconvénient technique majeur de cette méthode réside dans l"application du champ le long de

l"aimantation naturelle, difficile à réaliser avec précision dans les fours standards. Pour ce faire,

nous avons décidé de développer des porte-échantillons permettant d"orienter les échantillons

dans l"espace pour le four standard et un prototype de four à chauffage ultra-rapide particuliè-

rement bien adapté avec la possibilité d"orienter le champ appliqué dans les 3 dimensions. J"ai

testé les différents protocoles de la méthode sur des laves historiques de la Réunion et de l"Etna,

possédant des minéralogies très différentes. Pour l"ensemble des coulées étudiées, j"ai obtenu des

paléointensités très proches des valeurs attendues, et ce indépendamment de la minéralogie, ré-

vélant ainsi le faisabilité de notre appareillage et le côtéprometteur de la méthode. L"application

de diverses corrections sur la statistique d"estimation dela valeur de l"intensité ou sur le taux de refroidissement n"ont eu aucun impact notable sur mes résultats. iii

Abstract

The Earth"s magnetic field shows a large range of temporal variations from the year to several million years. I studied during my PhD thesis several aspects of these fluctuations, from recent secular variations to reversals. The first part of my manuscript deals with archeomagnetism, a discipline that allows to track the temporal variations of the Earth"s magnetic field through millennia, mainly from ar- cheological materials. I studied two sets of samples , one from Greece (Neolithic period 6800-3200 B.C.) and the other from Mexico (Palenque, Maya Classic period320-840 A.D.), to acquire new archeointensity data in order to better constrain the secular variation of the geomagnetic field. By comparing my data with those available in the literature and with the various global and re- gional models, I showed that the secular variations during the Neolithic in Greece and during the first millennium in Central America are poorly defined. My datasuggest that local components, not described by global models, may exist in these regions. They reinforce the importance of developing specific regional models. As a consequence, the acquisition of new high quality data is of main importance. The second part presents the description of a geomagnetic field reversal. This work was based on two points : first by studying transitional directions to provide new constraints on the possible preferred longitudinal paths of virtual geomagnetic poles(VGPs) and second by checking transi- tional paleointensities obtained on a volcanic sequence inAkaroa volcano (New Zealand). Indeed the transitional field intensity is significantly higher than the field intensity before and after the reversal. We re-sampled this sequence, and the directional results show a complex sequence of N-T-R-T-N-T-R polarity. The transitional VGPs obtained are clustered in two longitudinal bands through Australia and America. This observation seemsto reinforce the assumption of a core-mantle interaction over several million years. Following a rock magnetic study, I selected samples that could provide a value for the Thellier and multispecimen paleointensity methods. The obtained paleointensity are relatively low (about 20μT) during the polarity change and strong at the end of the sequence. Based both on the field strength values and on the radiochro- nological ages, showing that the sequence was erupted in a very short time, I suggest that only the C4AR.1n-C4Ar.1r reversal was recorded in this sequence. Inthis assumption, the reversal shows a complex path comparable to other reversals recorded in the northern hemisphere (for example the Steens Mountain ), including a rebound before stabilizing. Finally the last part is devoted to the development of a new methodology and a new ap- paratus to determine absolute paleointensity. Following the low success rate of paleointensity experiments from the previous study, I decided to test the multispecimen protocol, which can be applied to samples yielding a predominant multidomaine behavior. The main technical draw- back of this method lies in the application of the laboratoryfield along the natural remanent magnetization,a difficult task to perform accurately in standard paleointensity ovens. Thus, we decided to adapt sample holders from our standard oven in order to allow the sample orientation in space and to develop an ultra-fast heating oven prototypeparticularly well-suited for this method, allowing to apply the laboratory field in the 3 dimensions. I checked the different mul- tispecimen protocols on historical lavas from Reunion and Etna volcano, yielding very different magnetic mineralogies. For all flows, I obtained paleointensities very close from the expected values, regardless from the magnetic mineralogy, revealing the feasibility of our apparatus and the promising interest of the method. The application of various corrections on the statistical estimation of the intensity value or on the cooling rate had no significant impact on my results. iv

Remerciements

Je tiens tout d"abord à remercier Pierre pour m"avoir fait confiance durant ces trois années. Pierre m"a tout (ou presque) appris du magnétisme des rochesau paléomagné- tisme, toujours disponible et prêt à discuter dans la bonne humeur.Rappelons qu"en plus de ses connaissances scientifiques, ses talents culinaires, associés aux miens, nous ont permis d"être sacrés "Master chefs" du camping à Akaroa! Je tiens également à remercier tout particulièrement Brigitte pour ses conseils avisés sur l"utilisation du matériel expérimental ainsi que Thierry etPatrick qui m"ont aidé et supporté au quotidien dans la mise au point des expériences et m"ont beaucoup appris. Ces remerciements s"adressent également à Mireille, qui, malgré son départ du labo- ratoire, a gardé un oeil bien-veillant sur mon travail (notamment pour les corrections d"anglais). Je tiens aussi à remercier chaleureusement les membres de mon jury, MarkDekkers, Yves Gallet, Luis Alva-Valdivia, Jeau Luc Bouchez, Rodolphe Cattin etPierrick Roperch pour avoir accepté de lire et juger mon travail. Merci à Moulay et Fabrice pour m"avoir fait profiter de leur savoir faire en spectrosco- de mes résultats. Merci à Claire pour m"avoir fait tous les FORCs et m"avoir convaincu que le vélo couché, finalement, c"était pas si mal. Merci à Valera, Elina, Despina et Luis de m"avoir accordé une partie de leur temps et de leur confiance pour les différentes études que nous avons menées ensemble,et pour m"avoir souvent éclairé au travers de nombreuses discussions. Je tiens à remercier tous mes compagnons de terrain avec qui j"ai partagé de fabu- leuses aventures. Merci à Ben de nous avoir apporté quelques lumières surles structures volcaniques d"Akaroa. Merci à Sonia de m"avoir fait participer à la mission Contamana, où j"ai rencontré PierrO, Maeva, Julia, Guillaume...et découvert la vieet le terrain en forêt amazonienne, une expérience inoubliable!! Merci à Luis et sa famille pour m"avoir

fait découvrir Mexico et sa gastronomie locale, délicieuse bien qu"un peuépicée. Merci à

Chui et Alex pour leurs explications avisées sur la géologie du Golf de Basse Californie et sur la fabrication de la tequila. v Je tiens aussi à remercier tous mes camarades thésards. Tout d"abordceux qui m"au- ront souvent attendu pour aller au RU et avec qui nous avons partagémoultes discussions aussi bien philosophiques que tumultueuses : les stéphanois Fab,Théo, Greg (le grand), Steve et Dimit, Antoine, Fatna, Gustavo, Carolina, Roberto, Gian Luca, Kate, Steph, Yannick, Julie, Damien, Virginie, Mika, Tom, Eglantine, Lyvanne, Camille... Puis ceux avec qui j"ai partagé de super pique-niques, Marianne, Marina, Jérome, Alex, Agathe,

Thibault, Ous, Jehanne...et tous les autres!

J"ai une pensée toute particulière pour ma famille et mes proches qui m"auront tou- jours soutenu dans mes choix, même si mon travail est, et restera probablement, un mystère pour eux. Bref, un grand merci à tous ceux que j"ai côtoyé durant ces trois années passéesà

Montpellier....

vi

Table des matières

Résuméiii

Abstractiv

Remerciementsv

Introduction1

1 Du géomagnétisme au magnétisme des roches 5

1.1 La physique du champ magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.1.1 Qu"est ce qu"un champ magnétique? . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.1.2 Les lois de l"électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.2 Le champ magnétique terrestre et la géodynamo . . . . . . . . . . . .. .7

1.2.1 Description du champ magnétique terrestre . . . . . . . . . . . . .7

1.2.2 L"origine du champ magnétique terrestre . . . . . . . . . . . . . ..13

1.2.3 Variations temporelles du champ magnétique terrestre . . . . .. .15

1.3 Les minéraux : mémoire du champ magnétique passé . . . . . . . . . . ..20

1.3.1 Propriétés magnétiques des solides . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

1.3.2 Structure et composition des principaux minéraux ferromagnétiques24

1.3.3 Origine de l"aimantation rémanente . . . . . . . . . . . . . . . . ..28

1.3.4 Les différents types de rémanence magnétique . . . . . . . . . . . .34

2 Archéomagnétisme et variations séculaires récentes 37

2.1 Introduction à l"archéomagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .

37

2.1.1 Les données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

2.1.2 Les datations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

2.1.3 La reconstitution du champ magnétique passé . . . . . . . . . .. .40

2.1.4 Les applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

2.2 Introduction aux deux études réalisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

2.2.1 La variation séculaire au cours de la période Néolithique enGrèce .44

vii

2.2.2 La variation séculaire au cours de la période classique Mayaen

Amérique Centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.3 La variation séculaire en Grèce durant le Néolithique . . . . . . . . .. . .50

Archeointensities in Greece during the Neolithic period : New insights into ma- terial selection and Secular Variation Curve, article soumis à Physics of Earth and Planetary Interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

2.3.2 Archeological context and sample description . . . . . . . . . . ..52

2.3.3 Experimental procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

2.3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

2.3.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

2.3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

2.4 La variation séculaire en Amérique Centrale durant la période Maya Clas-

sique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
First archeointensity determinationa on Maya incense burners from Palenque temples, Mexico : New data to constrain the Mesoamerica secular variation curve, article soumis à Earth and Planetary Science Letters . . . . . . . . 72

2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

2.4.2 Archeological context and ceramic ages . . . . . . . . . . . . . . . .74

2.4.3 Magnetic properties of samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

2.4.4 Hysteresis loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

2.4.5 Firing conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

2.4.6 Archeointensity determinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84

2.4.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89

2.4.8 Reliability of the archeintensity determinations . . . . . . .. . . .89

2.4.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

2.5 Compléments d"information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

2.5.1 Comment obtenir une valeur fiable d"archéointensité en laboratoire?93

2.5.2 Détermination des conditions de cuisson du matériel archéologique95

3 Comportement du champ magnétique terrestre lors d"un changement

de polarité : Étude d"un exemple101

3.1 Introduction à l"étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

3.2 Comportement du champ magnétique lors du renversement d"Akaroa. . .105

Behavior of the transitional field during the Akaroa polarityreversal, New Zea- land : low paleointensities coupled to a geomagnetic rebound?, article en préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106

viii

3.2.2 Geological settings and sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108

3.2.3 Paleomagnetic directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109

3.2.4 Rock magnetism properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

3.2.5 Paleointensities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

3.2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120

3.2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122

4 Multispecimen : un nouveau protocole pour déterminer les paléointen-

sités?123

4.1 Introduction à la méthode du multispecimen . . . . . . . . . . . . . . . ..

123

4.1.1 Principe de la méthode multispecimen . . . . . . . . . . . . . . . .123

4.1.2 La méthode MSP-DSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125

4.2 Matériel expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128

4.3 Sélection et minéralogie des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . .. .130

4.3.1 Description des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130

4.3.2 Courbes de thermosusceptibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

4.3.3 Désaimantations thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

4.3.4 FORCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

4.3.5 Paléointensité Thellier-Thellier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133

4.3.6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134

4.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134

4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136

4.5.1 Influence du taux de refroidissement . . . . . . . . . . . . . . . . .136

4.5.2 Régression forcée par l"origine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136

4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137

Conclusion139

quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

[PDF] composante horizontale champ magnétique terrestre

[PDF] origine du champ magnétique terrestre pdf

[PDF] particule chargée dans un champ magnétique uniforme

[PDF] exercice mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme

[PDF] mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme mpsi

[PDF] exercices corrigés mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique

[PDF] mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme pdf

[PDF] mouvement d'une particule chargée dans un champ électrique uniforme terminale s

[PDF] interprétation champ visuel

[PDF] champ visuel statique

[PDF] champ visuel humphrey 24-2

[PDF] champ visuel de humphrey

[PDF] champ visuel octopus interprétation

[PDF] perte champ visuel

[PDF] champ visuel goldmann prix