PALÉOMAGNÉTISME

Comme son nom le suggère, le paléomagnétisme repose sur l’étude du champ magnétique ancien de la Terre. Cette discipline des sciences de la Terre a connu son plein essor à partir des années 1960. Elle a fortement contribué à démontrer l’expansion des fonds océaniques et, plus généralement, à la formulation de la théorie de la tectonique des plaques. Le paléomagnétisme repose pour l’essentiel sur la mesure des aimantations qu’enregistrent certaines roches sédimentaires ou volcaniques. La mesure de ces aimantations (on parle d’aimantation « rémanente » pour indiquer sa persistance à long terme) nous renseigne sur l’histoire du champ magnétique terrestre. Une autre application fondamentale du paléomagnétisme repose sur l’utilisation du repère absolu fourni par la direction du champ magnétique terrestre pour restituer les mouvements suivis par les plaques tectoniques au cours de l’histoire géologique de notre planète. On peut aussi regrouper au sein de cette discipline de nombreuses applications, dont l’archéomagnétisme, qui s’appuie sur l’étude magnétique de matériaux archéologiques (poteries, briques …).

Le paléomagnétisme repose sur les concepts et théories du magnétisme des roches. Ces deux disciplines sont donc inséparables. Le magnétisme des roches nous enseigne notamment comment naissent les aimantations, comment et pourquoi elles peuvent demeurer stables à très long terme. Pour cela, il est indispensable de déterminer la nature des minéraux magnétiques ainsi que la taille des grains magnétiques impliqués. Chaque type de roche (volcanique, magmatique, sédimentaire) acquiert en effet son aimantation selon un processus qui lui est propre.

L’aimantation thermorémanente

Les roches volcaniques comme les matériaux archéologiques qui ont été cuits sont porteurs d’une aimantation, dite thermorémanente parce qu’elle est acquise lors de leur refroidissement dans le champ ambiant. Leur moment magnétique global résulte de l’alignement des moments magnétiques individuels des atomes d’oxydes de fer. Il est préservé grâce à des couplages (directs ou indirects) et des interactions entre les ions, qui permettent de conserver leur orientation pendant des durées qui peuvent atteindre des milliards d’années en fonction de leur temps de relaxation et de la température.

La théorie de Néel (1955) définit le « temps de relaxation » comme le temps au terme duquel un moment magnétique se réoriente à nouveau dans le champ. Il dépend principalement de la taille et de la nature du grain et diminue rapidement avec la température (T), de telle sorte qu’une élévation progressive de T désordonne donc d’abord les moments magnétiques les moins stables à température ambiante, c’est-à-dire ceux dont les temps de relaxation sont les plus faibles. À titre d’exemple, une élévation de température de 20 ⁰C à 200 ⁰C désoriente les moments magnétiques qui seraient restés stables à température ambiante pendant 1 million d’années. On parle alors d’une « température de déblocage » de 200°⁰C et d’un « temps de relaxation » à température ambiante de 1 million d’années (Ma). À la température de Curie du minéral, l’agitation thermique l’emporte complètement sur l’ordre magnétique. Dans le cas de la magnétite, un des principaux minéraux rencontrés en paléomagnétisme, elle est de 580 ⁰C. En chauffant puis en refroidissant un minéral magnétique en présence de champ au-dessous de sa température de Curie (comme c’est le cas pour les coulées de lave ou certains matériaux archéologiques), les moments magnétiques s’orientent dans la direction du champ et contribuent donc à l’aimantation globale portée par l’échantillon.

Un matériau naturel étant par essence hétérogène, on trouve toute une gamme de temps de relaxation et de températures de déblocage dans un échantillon de[...]