Propriétés magnétiques des terres cuites et des roches

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Propriétés magnétiques des terres cuites et des roches

E. Thellier

To cite this version:

PROPRIÉTÉS

MAGNÉTIQUES

DES TERRES CUITES ET DES ROCHES

Par M. le Professeur E.

THELLIER,

Directeur de l’Observatoire du Parc Saint-Maur.

Sommaire. 2014 L’étude des

propriétés magnétiques des terres cuites et des _{roches, importante} en

Géomagnétisme (anomalies magnétiques terrestres et recherche du _{champ magnétique fossile)} a révélé

un certain nombre de faits, d’une grande netteté, intéressants au point de vue _{purement magnétique}

et dont L. Néel vient de donner une théorie.

On traite d’abord de l’aimantation induite, en _{première approximation} réversible : variation de de la _{susceptibilité globale} en fonction du champ et de la _{température, points} de Curie, relations avec

la _{composition minéralogique.}

Mais terres cuites et roches sont faiblement _{ferromagnétiques.} On étudie leur aimantation réma-nente isotherme _(notée A. R. I.) laissée par un _champ donné ayant agi à température constante. On signale l’existence fréquente d’un _{traînage magnétique, parfois} intense, au cours de cette aiman-tation et, après avoir suivi la variation de l’A. R. I. en fonction du champ inducteur, on s’intéresse

à sa stabilité : désaimantation _{spontanée, désaimantation par} action de champs faibles _opposés,

désaimantation par élévation de _{température.}

Un _{phénomène plus remarquable} est la faculté _qu’ont les terres cuites et les roches _volcaniques

d’acquérir une aimantation thermorémanente (notée A. T. R.) par refroidissement dans un _champ

constant. On étudie successivement l’A. T. R. dite _{totale, acquise} par refroidissement dans un _champ H

donné, depuis le _point de Curie le _plus élevé des constituants du corps jusqu’à la _température

ordi-naire, et sa variation en fonction de H; l’A. T. R. partielle, acquise dans les mêmes conditions, mais le champ H n’étant établi _{que pendant} une _fraction,du refroidissement entre deux _{températures} données.

On montre l’existence d’une loi d’additivité _remarquable des aimantations _{partielles acquises} dans des intervalles consécutifs de _{température, par} un _{corps donné, quelque complexe que} soit sa

compo-sition. Puis on examine la stabilité de l’A. T. R., tout à fait différente de celle de l’A. R. I. : stabilité

spontanée parfaite, insensibilité aux _champs faibles, désaimantation par réchauffement. Cette désai-mantation par réchauffement obéit à une loi _{simple, correspondant} à une _{indépendance} des moments

acquis au refroidissement dans des intervalles arbitraires de température et à une sorte de

réversi-bilité : le moment _acquis par franchissement de l’intervalle T12014 T2 au refroidissement disparaît

complètement entre T2 et T1 au réchauffement.

Les faits _précédents sont décrits en _prenant surtout comme _exemples le _sesquioxyde de fer

rhom-boédrique et les terres cuites. Le cas des roches est ensuite examiné.

On _signale enfin l’importance, observée expérimentalement, de la _grosseur des _grains des substances

actives; cette grosseur des grains joue un rôle capital dans la théorie de Néel. JOURNAL

1. Introduction. - Cette

étude,

qui

a donné lieu à un nombre considérable de

_{publications,}

est

essen-tielle dans deux

_{chapitres importants}

du

géomagné-tisme : celui des anomalies

_magnétiques

et celui des

aimantations fossiles.

Je me _{propose de trier}

_parmi

les faits accumulés

par les

géophysiciens

ceux

_qui

_peuvent

avoir un

intérêt

_plus

_général.

En ce

_qui

concerne leur

expli-cation,

les

_{géophysiciens n’ont jamais}

_{fait que de} timides essais.

_Récemment,

L. Néel

_[28]

brassant

d’un _{coup l’ensemble des}

_{observations,}

a élaboré une théorie

qui

a le

_grand

mérite de s’étendre à tous

les

_phénomènes

observés en les coordonnant.

Remarquons

au

_départ

_que les _{corps étudiés} étant très

_{hétérogènes}

les aimantations mesurées seront

toujours

des aimantations

_globales

se

_rapportant

à un échantillon

_qu’il

sera bon de

_prendre

assez

volumineux.

_Malgré

cela,

deux échantillons voisins

auront

_toujours

des

_{paramètres magnétiques}

diffé-rents. Les

_comparaisons

_{quantitatives}

_précises

ne

seront _{intéressantes que si elles} se

_rapportent

à des

états différents du même

objet.

D’autre

_part,

si l’on convient d’éliminer

_quelques

cas

_{exceptionnels}

de

roches massivement

_{ferromagnétiques,}

les

aiman-tations

_gobales

sont

_toujours

très faibles. On

_qualifie

de « très

magnétiques

» des roches dont la

suscep-tibilité

_globale

est de l’ordre de i o-2 u. e. m.

_Enfin,

les

_propriétés

_magnétiques

seront souvent étudiées dans des

_champs

très faibles de l’ordre de l’oersted. Nous abandonnerons

_{complètement}

tout ce

_qui

a

trait aux

_appareils

de mesure

_{(magnétomètres}

pendules magnétiques, inductomètres),

un _peu

parti-culiers étant donnés les caractères des aimantations

à mesurer.

2. Aimantation induite réversible. - Les

terres cuites et les roches sont

_{généralement}

à

comportement

ferromagnétique,

mais on

_peut

sou-vent, en

première approximation,

considérer

l’aiman-tation _{induite par} un

_champ

_imposé

H comme réver-sible et considérer ainsi les

_{susceptibilités}

k

_(ou

coeffi-cient d’aimantation

_z)

comme bien définies.

io

_{Susceptibilités}

initiale

_{(température}

ordinaire,

champs faibles).

Un nombre considérable de déterminations de

susceptibilités

initiales ont été

faites,

à

_l’usage

des

prospecteurs

surtout, sur des roches de toutes

origines;

beaucoup

de données

_numériques

ont été

publiées,

certaines

correspondant

à des roches

analysées chimiquement

et

_{minéralogiquement [10,}

16, 21, 26, 30,

46].

L’examen de

_quelques

tableaux de valeurs montre

_qu’il

_n’y

a _pas de relation nette entre la

_{susceptibilité}

et la

_position

de la roche dans la classification

_{pétrographique;}

cela vient surtout de

ce _{que les}

_quelques

minéraux

_{ferromagnétiques}

_qui

jouent

le rôle

_principal

dans l’aimantation des roches ne sont _{pour le}

_pétrographe

_{que des minéraux}

secon-daires. Par

_exemple,

dans une

coulée

_volcanique,

même

_récente,

les

_{propriétés magnétiques}

varient

souvent nettement du centre au bord de la

_coulée,

alors que l’observation

pétrographique

ne décèle que

peu ou _{pas de}

_{changement [1,}

_31,

_44].

Sur les roches

anciennes,

une

altération,

à

_laquelle

les minéraux

magnétiques

semblent très

sensibles,

apporte

sou-vent des

_changements

de

_{susceptibilité}

considé-rables

_[12,

_38].

Cependant,

il subsiste entre la

_composition

et la

susceptibilité

des relations

_{qualitatives,}

intéressantes

pratiquement.

En

_{grossière approximation,}

on

_peut

admettre que les roches sédimentaires sont

norma-lement très _peu

_{magnétiques,}

_y

_compris

les minerais

de fer sédimentaires

_(Z

de l’ordre de 10-5 u. e.

_m.);

par cuisson

(terres

cuites)

la

susceptibilité

croît

généralement, parfois

fortement

_[40].

Les roches cristallines acides

_(granite,

_gneiss,

_{syénites, etc.)}

ont des

_{susceptibilités}

encore faibles

_(Z

de l’ordre de 10-’. u. e. m.

_souvent),

_{tandis que} les roches

basiques,

toutes

_volcaniques,

ont des

_{susceptibilités}

fortes

_(Z

de l’ordre de i u. e.

_m.);

ce sont elles

qui produisent

les anomalies

_magnétiques

locales les

_{plus importantes (de}

l’ordre du millier de

_1~).

La variation de

_{susceptibilité}

avec la basicité de la

roche,

est intéressante en

_géophysique

_générale.

Si l’on admet avec les

_géologues

et les

_{séismologues}

que la basicité des

couches,

qui

constituent les pre-mières dizaines de kilomètres de l’écorce terrestre,

croît vite avec la

_profondeur

_(couche

_granitique,

couche

_basaltique,

couche

_{péridotitique),}

il doit en

résulter que la

susceptibilité magnétique

des couches

successives doit croître très vite aussi en

_profondeur

jusqu’à

ce _que l’élévation de

_température

amène les roches au-delà de leur

_point

de Curie le

_plus

élevé.

La

_désignation

_{pétrographique,}

même

_détaillée,

d’une roche ne

_permettant

_{pas de}

_prévoir

ses

pro-priétés magnétiques,

les

_{géophysiciens}

ont tenté de

parvenir

à cette

_prévision

en f aisânt eux-mêmes la

minéralogie

magnétique

des roches. Le

_compte

rendu de ces recherches est une des

parties

les

_{plus chargées}

de la littérature relative à notre

_sujet.

Des

_chapitres

importants

de

_plusieurs

Mémoires relativement récents

_[5,

13, 19, 21, 30,

39]

sont consacrés à cette

_question

_que nous résumons à l’extrême. Des minéraux sont

_{diamagnétiques}

et certaines

_roches,

des roches sédimentaires seulement

_(gypses,

sel gemme, calcaires et sables

purs),

sont

_globalement

diamagnétiques.

D’autres minéraux

_plus

abondants

sont

_{paramagnétiques}

et certaines

_roches,

sédi-mentaires et

cristallines,

sont

_globalement

para-magnétiques.

Mais les minéraux de

_beaucoup

les

plus importants,

au

_point

de vue des

_propriétés

magnétiques,

sont les

_{ferromagnétiques (magnétite,}

titanomagnétites, pyrrhotine).

L’étude de leur compo-sition

_chimique

a révélé une

_complication

considé-rable sur

_laquelle

nous reviendrons à la fin du

_chapitre

relatif aux

points

de Curie. Reste un

_problème

de

pure

physique,

en

_{partie indépendant}

du détail de la

_composition

_chimique

de ces

_minéraux;

ceux-ci

sont, en

_effet,

_{généralement dispersés}

dans la roche

en cristaux de toutes dimensions et de toutes

formes

_([5],

_p.

₃₉₉₎

et cette forme

_joue

un rôle

essentiel au

_point

de vue

_magnétique.

On

_peut

traiter

par le calcul des cas

_simples.

Le

_{plus simple, déjà}

très

_parlant,

est celui d’une roche

_qui

serait

cons-tituée _par un ensemble

_amagnétique

contenant des

grains

ferromagnétiques sphériques

de

suscepti-bilité vraie de diamètre

_quelconque,

bien

_dispersés

dans le milieu et de concentration s

_faible,

_quelques

centièmes au maximum

_(s,

_rapport

du volume v de

l’ensemble. des

_grains

au volume V de l’échantillon

considéré).

Dans ces

conditions,

_chaque

grain

se

trouve dans le

_{champ magnétique}

résultant du

champ imposé

et de son _propre

_champ

démagné-tisant,

en

négligeant

l’effet,

qu’on

_peut

montrer

faible,

des autres

_grains;

et l’échantillon entier

se

_comporte

comme s’il

_avait,

dans le

champ H,

une

_{susceptibilité}

_apparente

_globale

pour

ko>

i, la

susceptibilité globale k

tend vers

:s,

47t

limite

_supérieure

de k

_qui

ne

_dépend

_que de la

concentration en éléments

_{ferromagnétiques, quel}

que soit le détail de leur nature

chimique.

Un

_{problème plus général}

a été _{traité par} R. Che-vallier

_[2],

celui de

_{grains isotropes, ellipsoïdaux,}

semblables,

de facteurs

_{démagnétisants}

_L,

M,

1’1 suivant les trois directions

principales

de

l’ellip-soïde. R. Chevallier tient

_compte

de l’effet des autres

_grains

sur un

_grain

donné en admettant

_qu’ils

agissent

comme un milieu continu d’aimantation

puis

J. Coulomb

_[6],

montre _{que l’échantillon} se

comporte

comme un milieu

_homogène

de

suscepti-bilité

_apparente

_globale

k,

donnée >

avec m =

T7 - V

et 3S-

I+koL

k0 + k0 + k,

I+ko1B T’

Comme

_{précédemment,}

l’effet de la

_{susceptibilité}

vraie

_ko

tend à

_disparaître

_{dès que}

_ko

est

suffit-samment forte. La forme des

_grains

intervient par

S,

la

susceptibilité k

étant,

toutes choses

égales,

minimum pour des

grains sphériques

L = M = iV.

Le cas réel des roches est évidemment bien

_plus

compliqué,

les

_grains

étant de formes variées et de

susceptibilités

différentes. J.

_{Koenigsberger [19],}

puis

T.

_Nagata

_([26],

_p.

₂₅₎

l’ont abordé en

_partant

de calculs de F.

Ollendorf,

mais leur considération de facteur

_{démagnétisant}

_moyen est très

discutable,

ce

_qui

me

_paraît

enlever

_beaucoup

d’intérêt à leur résultat.

Finalement,

le cas

_simple

des

_{grains sphériques,}

qui

donne une limite inférieure de

_k,

_pour

_A-o

donné,

conduit à un ordre de

_grandeur

de 2 _par

unité

_pour-cent

de minéral fortement

ferromagné-tique.

C’est l’ordre de

_grandeur

des

_{susceptibilités}

observées dans les essais faits sur des roches

synthé-tiques

constituées par des

_grains

de

_magnétite

(artifi-cielle ou cristaux

_broyés),

dilués dans des _corps

inertes

_{[19, 30].}

Cet ordre de

_grandeur

s’observe aussi dans les

roches,

à

_partir

d’évaluations très

grossières

des minéraux

_{ferromagnétiques.}

Mais ces

résultats doivent être considérés comme

_qualitatifs;

toute

_{prévision minéralogique}

de

_{susceptibilité}

est

encore

_impossible.

Quelques

auteurs ont _{fait la remarque,}

_{qui prendra}

toute son

_{importance plus}

_loin,

_que si le diamètre des

_{grains magnétiques}

devenait très

_petit,

_la

suscep-tibilité diminuait nettement par

rapport

à la

prévi-sion

_([21],

_p.

_I23)

_{[4, 30J;}

dans le même sens, on a

observé que des roches vitrifiées par fusion au

laboratoire sont nettement moins

_magnétiques

que

les roches dont elles

_proviennent,

la

_{susceptibilité}

croissant

quand

la cristallisation se

_poursuit

_par

recuit

_([5],

G. Grenet

_cependant

trouve

qu’il n’y

aurait _pas de différence

_{systématique}

entre les

_{susceptibilités}

des roches _grenues,

_{microgrenues,}

microlithiques

et vitreuses

_([10],

_p.

_31).

Dans les laves _{étudiées par} R.

Chevallier,

les éléments

ferro-magnétiques

fins sont des

_granules

de i à 100 03BC de

diamètre

_([5J,

_p.

_400);

dans des varves

_{pléistocènes}

étudiées par J. W. Graham au

_microscope

électro-nique [9],

ces

_particules

ont des diamètres de o,o I

à 5 les diamètres les

_{plus fréquents}

étant

_compris

entre o, i et o, 5 _p.

Dans un autre ordre

d’idées,

la

_{susceptibilité}

globale peut

présenter

une certaine

_anisotropie

dans

le cas des roches schisteuses ou fluidales. Cet effet est

_signalé

en

plusieurs

endroits

_{[ 15] ([ 10], p. 71).}

Il

_peut

avoir été

_exagéré

_par les

_procédés

de mesure

(magnétomètre).

2~ Variation

_{de Z}

=

i (H)

à la

température

ordi-naire. - La

susceptibilité magnétique globale

des

terres cuites et des roches varie souvent nettement

en fonction du

_champ,

à

_température

constante; des tableaux et des courbes illustrant ces variations ont

été

_{publiés [14,}

26,

30].

Des

_{susceptibilités}

cons-tantes s’observent sur des corps peu

_{magnétiques,}

il

_s’agit

alors de roches à éléments tous _para ou

diamagnétiques;

on trouverait des cas de décrois-sance

_{[30], mais,}

en

_{règle générale,}

la

_{susceptibilité}

croît avec le

_champ

_jusqu’à

des

_champs

assez

élevés,

non atteints dans

_beaucoup

de mesures.

La variation

_peut

être

_importante;

_pour un assez

grand

nombre de

roches,

K. Puzicha trouve une

augmentation

moyenne de 65 pour 100 pour H variant de o à 23o

Oe,

le maximum étant observé

entre 20 et 220 Oe

[30].

Il ne semble pas que ce

phénomène

mérite l’attention

_qu’on

lui a souvent

apportée :

l’allure de la variation de la

suscepti-bilité

_apparente

_dépend

_{à la fois de celles des} suscep-tibilités vraies des éléments

_{ferromagnétiques}

et de la forme

_statistique

des

_grains;

elle ne caractérise

rien de bien défini. Cette étude ne

_paraît

_{donc pas}

avoir le

_{pouvoir d’analyse}

des minéraux

ferro-magnétiques

qu’on

aurait pu

espérer;

elle ne fait que

souligner

le caractère

_plus

ou moins franchement

ferromagnétique

du corps et

_{l’irrégularité}

de forme des

_grains.

Récemment,

T.

_Nagata

_[27]

a _{pu tracer, pour des}

roches

_volcaniques

variées,

des courbes d’aiman-tation

_{jusqu’à Q-ooo}

Oe. Il trouve comme ordre de

grandeur

de l’aimantation

_spécifique

7 maximum :

o, 6 à 3 u. e. m.

3°

_champ

constant.

--Des

_analyses

_{thermomagnétiques}

de nombreux échantillons de roches ont été faites à

_plusieurs

reprises. Après

celles de

_Allan,

Honda et

_Takagi,

Jacquet,

deux

_importantes

études sont celles de

R. Chevallier et J. Pierre

_{r 5]}

et celle

_plus

récente de T.

_{Nagata [26];}

l’une et l’autre

_portent

sur des

roches

_volcaniques

et ont été

_poussées

_jusque

vers

_{700° C,}

les

_champs

utilisés ont été de l’ordre de i oo Oe dans la

_première

et de 2 Oe dans la

seconde.

Deux difficultés se

_présentent

dans

l’interpré-tation des courbes obtenues. D’abord la roche

chauffée se modifie et des essais successifs sur le

même échantillon donnent des courbes différentes

ne

_{correspondant}

_plus

au _corps initial. Une autre

complication

vient de l’aimantation

thermoréma-nente

_acquise

_{par refroidissement} en

_champ

magné-tique

dans le cas des mesures à la balance de Curie.

Pour une roche contenant des

_grains

_sphériques

d’un

_{ferromagnétique}

_fort,

la courbe

thermomagné-tique

doit tendre vers un

_palier

se terminant par

une chute

_rapide

vers le

_point

de Curie

ferromagné-tique, supposé

bien

défini,

de la substance. En

fait,

une

_partie

arrondie en fin de chute

_{correspondant}

à

un

_point

de Curie mal défini

_(et

dans les

_champs

faibles la

_possibilité

d’une

_{augmentation de Z}

au

début)

A),

soit des courbes à

_plusieurs

arcs

(fig.

i

B) qu’on

_peut

interpréter

comme résultant

Fig. I. -

Variation Z = _{f (T) (T. Nagata [26]).}

Laves _basaltiques.

de la

_présence

de

_plusieurs

substances de

_points

de Curie

différents,

eux aussi mal définis

généra-lement ;

R. Chevallier et J. Pierre observent

_parfois

des

_portions

de courbes à chute continue

_qui

les

amènent à définir un «

_point

de Curie

équivalent

»

([5],

p.

435).

Si les minéraux

_magnétiques

des roches se rédui-saient à

_quelques

corps bien

définis,

et stables en

. fonction de la

température,

les

points

de Curie

observés,

qui

seraient d’ailleurs bien définis

_aussi,

se retrouveraient de roches en roches et identi-fieraient ces

_minéraux,

la courbe devant donner d’ailleurs une idée de leurs

_{pourcentages.}

Il n’en est

pas ainsi

pratiquement.

R. Chevallier et J. Pierre

ont nettement montré _que les «

points

de Curie »

observés sur un

_grand

nombre de roches

_volcaniques

couvrent toute l’échelle des

_{températures}

de la

température

ordinaire

_jusqu’à

580°C,

point

de

Curie de la

_magnétite

_pure

_(dans

les terres cuites le

_point

de Curie

_supérieur

observé est

sou-vent

₆₇₀₀

_C).

D’autre

_part,

ils ont _{pu, par recuit}

d’une lave

donnée,

faire

_rétrograder

_{progressivement}

ses

_points

de Curie

_(variations

_{atteignant 150°).}

Enfin,

examinant des échantillons

_(3g

au

_total)

pris

en divers

_points

d’une même coulée de laves de

l’Etna,

ils ont montré que les courbes

thermo-magnétiques

formaient un réseau

_régulier

entre une courbe à

_point

de Curie

_principal

bas et une autre à

_point

de Curie

proche

de celui de la

_magnétite;

des échantillons

_pris

dans une même carrière

_peuvent

présenter

des différences aussi

_grandes

que celles

observées sur toute la coulée. Ils sont ainsi conduits

à conclure que les éléments

magnétiques

des roches sont des solutions

_solides,

idée

_déjà

soutenue par

Ch.

_Jacquet

à la suite d’une étude sur des roches

volcaniques

d’Auvergne.

On aurait là en même

temps

l’explication

des arrondis-

_signalés

vers les

points

de Curie conventionnels.

_S’appuyant

sur des résultats de W.

_Kopp

et A. Brun, R. Chevallier et

J. Pierre concluent en tentant une

_{interprétation}

générale

de la

_composition

des minéraux

ferro-magnétiques

des roches

_volcaniques,

solutions solides des corps

Fe,O,,

FeO et

_Ti02.

Cette

conclusion,

dont les détails

_peuvent

être

discutés,

semble devoir être

_{généralisée}

de la

_façon

suivante. Une roche forme un milieu à

_grand

nombre

de constituants

_chimiques;

outre

_Fe,O,,

FeO et

_Ti02,

elles contiennent des

_{oxydes basiques}

_{tels que}

_K20,

Na20,

MgO, AI,O,,

... et les études des chimistes

(celles

des écoles

_françaises

de G. Chaudron et H. Forestier en

_particulier)

ont _{montré que} ces

corps étaient

susceptibles

de

_donner,

_par des

réac-tions à l’état solide dont l’étude est si active

actuel-lement,

une variété étonnante de

_composés

définis

et de solutions

solides,

parmi lesquels

tout le _groupe des _{ferrites peu}

_{évoqué jusqu’ici}

_{par les}

géophysi-ciens. Par

_exemple,

un travail récent de E. Pouil-lard

_[29]

insiste sur la facilité avec

_laquelle

les

_oxydes

de Fer

_Fe,O,

et

_Fe,04

subissent des substitutions diverses donnant des solutions solides à

_propriétés

magnétiques progressivement

différentes. Ainsi le

système Fe,O,,

FeO,

Ti02 qu’il

étudie en détail est

susceptible

de fournir

_{plusieurs composés}

définis,

des solutions solides

limitées,

des solutions solides

totales,

dont il donne le détail et dont il donne aussi les

_points

de Curie ou les intervalles de

varia-tion de ces

_points.

C’est,

éclairée d’un coup, toute

la chimie d’un _groupe

_important

_{de corps}

compre-nant les ilménites et les

_{titanomagnétites,}

_corps

_qui

sont des constituants

_{magnétiquement importants}

des roches.

_Ainsi,

le chimiste

_partant

de ces trois

oxydes

seulement crée une variété

_déjà

considérable

de minéraux

_{ferromagnétiques}

_ayant

des

_points

de

Curie étalés sur une

_grande

étendue. Si l’on

_ajoute

alors toutes les

_{possibilités}

venant des autres

consti-tuants des

_roches,

on

_comprend

_que tout _{essai pour}

établir la

_{composition minéralogique}

des éléments

magnétiques

d’une roche soit voué à l’échec et _{que la}

recherche des

_points

de Curie ne

_puisse

_pas

_apporter

d’aide vraiment efficace dans cette détermination.

L’espoir

d’arriver à la connaissance

_{minéralogique}

des _{roches pour} en déduire ensuite tout _le compor-tement

_magnétique,

_paraît

vain. Tout

_compte

fait,

la structure de la

roche,

la dimension de ses

_grains

ferromagnétiques

en

_particulier,

semble

_être,

à

cer-tains

_points

de vue, un caractère bien

_plus

_important

que la

composition chimique

elle-même.

Cependant,

la détermination des

_points

de Curie

effectifs,

approchés,

garde

un certain intérêt au

point

de vue de l’étude des

rémanences,

qui

donnera,

d’ailleurs comme on le verra, d’autres

procédés

de détermination de ces

_{points (procédés qui}

seront

points

de Curie

_plus

_élevés,

est considérée comme

de

_plus

en

_plus

_importante

_pour les

_applications

géophysiques

[20].

Au

_point

de vue, d’autre

part,

de la

_physique

de l’écorce

_terrestre,

la connaissance

des

_points

de Curie est _{essentielle pour} tenter une

prévision

de l’état

_magnétique

des couches dont la

température

croît avec la

_profondeur.

3. Aimantation rémanente isotherme

_(A.R.I.).

- i°

Cycles d’hysférésis.

--

L’hystérésis apparaît

nettement, dans toute mesure un _peu

_précise

d’aiman-tation induite

_globale

sur la

_plupart

des terres cuites et des roches

_{volcaniques; plusieurs}

auteurs ont

publié

des

_cycles,

_qui

sont

_toujours

très

_effilés,

correspondant

à _{des corps} et à des

_champs

limites variés

_{[26, 30].}

Au

_point

de vue des

applications,

ces

_cycles

d’hystérésis

proprement

dits

(aimantations

mesurées

dans le

_{champ imposé)}

ne _{semblent pas}

_présenter

beaucoup

d’intérêt;

ils

_dépendent

encore de la nature des

_{ferromagnétiques}

et de la forme des

grains.

Ce sont seulement les aimantations

réma-nentes

_{globales qui}

retiendront notre attention. Une

telle

àimantation

u,.

correspondra,

pour un

échan-tillon

_donné,

à une

_température

donnée

_(presque

toujours

la

_température

ordinaire 2oo,

convention-nellement)

et au

_champ

maximum H

_(champ

extérieur)

qui

l’a

_provoquée.

Strictement,

il y aura

toujours

lieu de

_{préciser lequel}

des deux mécanismes habituels a été utilisé : ou

_champ

croissant de zéro

à H

_puis

ramené à

zéro,

ou

_{cycles d’amplitude}

H avec

retour final à zéro. C’est une telle aimantation que nous

_{qualifierons,}

suivant la notation de L.

_Néel,

de

A. R. I.

La valeur du

_champ

coercitif relevé sur les courbes

d’hystérésis présente

un certain intérêt. Pour des

roches

_volcaniques

variées,

T.

_Nagata,

dans un

travail

_déjà

cité

_[27],

observe des

_champs

coercitifs

compris

entre 60 et

45o

Oe pour un

_champ

maximum

de

₄

ooo Oe ne réalisant pas franchement la

satu-ration. Pour des

_champs

de l’ordre de 20

Oe,

ces

champs

coercitifs varient entre

_o,5

et

2,5

Oe.

20

_Traînage

_magnétique.

-- En

réalité,

l’aiman-tation 6r n’est pas bien définie si l’on ne

_précise

_pas

le

_temps

d’action du

_champ

H et le

temps

écoulé

entre la

_suppression

de ce

_champ

et le moment de la mesure. Terres cuites et roches

_présentent,

en

_effet,

une viscosité

_{magnétique marquée qui}

a

particulièrement

retenu l’attention de L. Néel dans son étude

_{théorique [28].}

Ses effets avaient

_déjà

été notés dans

d’intéres-santes observations

_{[23] quand je}

l’ai observée et

étudiée

_{systématiquement,}

tant à l’établissement du

champ

qu’à

sa

_suppression,

dans des mesures faites sur des échantillons

_cylindriques

au _{moyen d’un} bon

_{magnétomètre}

_{à bobines. Le corps,}

parfai-tement

_{désaimanté,}

étant en

_place,

on établit un

champ

H à l’instant zéro. L’aimantation induite

immédiatement

_{acquise correspond}

à la

suscepti-bilité du _corps;

_puis

l’aimantation croît

progres-sivement,

cette croissance restant mesurable

_après

des heures et même des

_{jours. Lorsqu’on supprime}

le

_champ

H,

l’aimantation diminue

_brusquement

d’une

_{quantité correspondant}

sensiblement à l’ai-mantation

_brusque

initiale et il reste ainsi une

aimantation rémanente

_visqueuse,

d’autant

_plus

forte,

toutes choses

_égales,

_{que l’action du}

_champ

a été

_{plus prolongée}

_{([40], 9}

_73).

Pour

_beaucoup

de terres

cuites,

l’effet est relativement très faible dans des

_champs

de

_quelques

Oersted;

il

_peut

être

important

pour des

roches;

dans un essai sur un

basalte

_{([40], 9 91)}

l’aimantation

_provoquée

_par un

_champ

de i Oe

passait

de à

l’établis-sement du

_champ,

à

6,5. lo-’~

au bout de

_quatre

_jours.

Le

_champ

_magnétique

étant

_supprimé,

l’aiman-tation

_visqueuse

restante décroît

_{progressivement.}

Il en est _{de même pour} une aimantation rémanente

acquise

par action brève d’un

champ

un _peu

fort;

c’est ce cas

_qui

a été le

_plus

souvent étudié. Je n’ai pas

essayé

jusqu’ici

de faire la

distinction,

qui

pourrait

être

_{intéressante,}

entre les deux méca-nismes. Ce

_phénomène

est

_général

et très

_ample;

je

l’ai observé sur toutes les terres _{cuites que}

_j’ai

étudiées et sur des roches

_{([40], §}

_73).

E. F. Hérroun

et A. F. Hallimond

_[14]

ont donné trois courbes de décroissance de Or en fonction du

temps

0,

pour une

dolérite aimantée par un

_champ

de 25 Oe et une

tholéiite aimantée successivement dans les

_champs

de 88 et 56 Oe et ils ont _{observé que la décroissance}

était sensiblement linéaire en

_log

0. Dans ces

essais,

la diminution au bout de

_quatre

_jours

était de l’ordre du tiers de la valeur mesurée i mn

_après

la

suppression

du

_champ.

L. Néel observe la même loi en

_log

0 sur les

_quelques

résultats de mesures

que

j’ai publiés

[28].

J’ai fait

quelques

observations

sur de

_longues

_durées;

_par

_exemple,

une

_brique

ordinaire

_(C~),

_qui,

_ayant

_acquis

_{par action d’un}

champ

de 160 Oe un moment rémanent

_{de 2,28}

u.e.m.,

mesuré par induction 2 mn

_après

la

_suppression

du

champ, présente

des moments successifs de

2,06

après

quatre

jours,

1,96

après

un

_mois,

_1,82

_après

un an _{et I,’~} 1

après

sept

ans.

_Mais,

dans ces essais

de

_longue

durée,

l’effet de

_temps

interfère avec

l’effet de

_{température d’après}

les

_{développements}

-de L. Néel

_[28].

Je considère

_qu’il

faut,

à la lumière de ses

_idées,

_reprendre

une

_{expérimentation soignée}

sur le

_{traînage magnétique}

de

_quelques

_corps

_définis,

comme des ferrites ou des roches

_{synthétiques}

à

magnétite, puis

sur des roches et des terres

cuites,

en

_séparant

l’effet de

_temps

de celui de

_température

et

_aussi,

en définissant bien les instants

_origine

et

en _{utilisant des corps} exactement désaimantés au

préalable,

ce

_qui

_{n’a pas}

_toujours

été fait dans les

essais initiaux.

En ce

_qui

concerne les recherches sur le

_champ

thermo-rémanentes,

ou de

_particules

_orientées),

on

_conçoit

que ces

_phénomènes

d’aimantation et de

désaiman-tation

_visqueuse

_{soient graves,} les

_temps

considérés

en

_{géomagnétisme}

étant très

_grands

et il est évident

que des corps très sensibles à ces aimantations sont d’avance sans intérêt comme témoins fidèles du

champ

ancien d’une

_époque

donnée.

30 Courbes de rémanences isothermes. - Il est

intéressant de suivre la

variation,

en fonction de _H,

de l’aimantation rémanente Ür

acquise

par un

échan-tillon,

à la

_température

ordinaire,

dans des

condi-tions données

_(cycles

ou

_champ

_simple,

_temps

d’action et de _repos avant la

_mesure),

dans des

champs

H successifs croissants. La courbe de al’ en fonction de H se _{compose d’une}

_partie

d’allure

parabolique,

suivie

_après

une droite d’inflexion

d’une courbe de saturation. Dans les

_champs

_faibles,

généralement

considérés en

_{géomagnétisme,}

le

phé-nomène est entièrement caractérisé _{par le} para-mètre b de la relation v, =

bH2,

relative à la

partie

initiale de la courbe. Pour le

_sesquioxyde

de

fer,

disons pour un certain échantillon de

_sesquioxyde

de fer en

_{poudre agglomérée}

et stabilisé par recuit

_[33]

on a : b = 3 . I o-"’ _{u, e. m.}

(susceptibilité

initiale

X = 27.10-6)

(fig. 2).

Pour des terres cuites de

Fig. 2. - A. R. I. (J. Roquet [33]).

Courbe de rémanence : 6r = _{f (H).}

Cycle de rémanence : _cr;. = f (~0.

susceptibilités Z

de l’ordre de

20 .10-~, b

est de

l’ordre de io-1 à io-1. Pour des roches

_volcaniques,

les valeurs de b sont couramment de l’ordre

à 10"".

Les aimantations rémanentes de

_champs

intenses

ont été

_étudiées,

en relation avec le

_problème

de l’aimantation des roches par les courants dus à la

foudre. _{Pour les corps}

_{précédemment}

cités,

elles

sont de l’ordre de z o-’ u. e. m. _{pour le}

_sesquioxyde,

pour les terres cuites et de l’ordre de

quelques

unités e. m. _{pour les roches}

_volcaniques

_([10],

_p.

_jg),

[14,

30, 33,

34].

Stabilité de l’A. R. I. : désaimarttation _pai

champs opposés.

- L’aimantation rémanente

iso-therme,

on l’a vu, diminue

spontanément

en fonc-tion du

_temps,

même en l’absence de tout

_champ

magnétique

extérieur. Si l’on considère une aiman-tation

_{acquise depuis plusieurs}

_jours,

cette varia-tion

_peut

être

_négligée.

Dans ces

_conditions,

faisons

agir

sur l’échantillon

_portant

une telle

aimantation

acquise

dans un

_champ

des

_champs

successifs H

croissant en valeur absolue et

_opposés

à l’aiman-tation et mesurons

_chaque

fois l’aimantation

réma-nente restante

_après

_suppression

du

_champ

H

(bien

entendu,

il faut

_préciser

encore les durées d’action et le

_temps

s’écoulant avant la

_mesure).

Si l’on fait varier H

_jusqu’à

-

Ho,

puis

si l’on fait

agir

à nouveau H dans le sens

_initial,

les

_points

û~.

=

f (H)

constituent _un

cycle

de rémanence que

l’on

_peut

_compléter

_par

_quelques

essais

corres-pondant

à des valeurs décroissantes de H entre

_Ho

et zéro. J’ai tracé de tels

_cycles

_{de rémanence pour} les terres cuites

_[40];

Mlle J.

_Roquet

l’a fait récem-ment _pour le

_sesquioxyde

de fer

_{[33] (fig. 2).}

On _{observe que les branches} de désaimantation au

voisinage

de H = o sont _{presque linéaires} et de forte

_pente,

alors _{que la}

_pente

de la courbe de rémanence initiale est nulle vers H = o.

Ainsi,

l’A. R. I. est sensible à des

_{champs opposés}

très

faibles

_qui

ne laisseraient _{pas de} rémanence

mesu-rable sur _{le corps} non aimanté. Une

_{caractéristique}

numérique

de ces

_cycles

est le

_champ

H~

_(champ

de

_{désaimantation)}

_qui

ramène à zéro l’aiman-tation du corps

(mesurée

dans un

_{champ nul).}

C’est une sorte de

_champ

coercitif de l’A. R. I.

Quelques

résultats récents de Mlle

_Roquet

sur une

terre cuite illustrent la variation de H~l en fonction

de

_H~

_[36].

Pour une

_comparaison

_ultérieure,

il est

intéressant de noter _que ce

_champ

Hel est

_toujours

inférieur au

_champ

magnétisant

_Ho.

5°

_Disparition

_{de l’A. R. I. par}

_chauffage.

-Un corps

portant

une A. R. I. sensiblement

stabi-lisée, c-,.

est

_porté

à une

_température

_T,

en

prin-cipe

dans un

_champ

extérieur nul. On le ramène

à la

_température

ordinaire et l’on mesure son

aimantation rémanente restante On fait croître

progressivement

T.

_Strictement,

la durée du

_séjour

à la

_température

T

intervient,

mais relativement peu et un réchauffement renouvelé à une

tempé-rature T

_{précédemment}

atteinte est

_pratiquement

sans eff et.

Des courbes de en fonction de T pour

diffé-rentes valeurs de l’aimantation initiale ont été

publiées

pour des terres cuites

[35, 40].

Ces courbes, dont l’allure est très différente de celles obtenues sur

les mêmes _{corps par}

_{analyse thermomagnétique}

ont,

carac-térisée par une décroissance

_rapide

au

voisinage

de

la

_température

ordinaire et une concavité vers" le

haut, l’ordonnée nulle

_marquant

le

_point

de Curie du corps; pour des _corps à

_{composition complexe}

comme l’est une terre cuite

_(fig.

3

_B)

elles

_présentent

Fig. 3. - Désaimantation

par chauffe. Terre cuile.

A, A. T. R., moyenne el forte T _{(6~o, H, T2) -T,} en _{f (T~) :}

H = _{119° Oe, T2} = _66°C.;

3, H =

7700 Oe, T2 = _{900 C.}

B, A. R. l., moyenne et forte :

_cry

= f (T).

Champs magnétisants initiaux . 1, 1470 Oe; 2, 7600 Oe;

3, 26 800 Oe.

des arcs

_{correspondant}

à des

_points

de Curie infé-rieurs

_plus

ou moins nettement

_marqués.

La

conclusion,

intéressante en

_{géophysique,}

est

que des réchauffements modérés ont un effet

rela-tivement

_grand

sur une A. R.

_I.,

même sur un corps à

_point

de Curie élevé

4. Aimantation thermorémanente A. T. R.

-Les

_premières

observations sur le

_phénomène

sont très

_anciennes;

Melloni

_(1853),

Gherardi

_(1862),

Folgheraiter (I8go)

ont montré

_{expérimentalement}

que des roches ou des terres cuites chauffées au

rouge et refroidies dans le

_{champ magnétique}

terrestre s’aimantaient et _que l’aimantation ainsi

acquise

était

_dirigée

comme le

_{champ, qu’elle}

était relativement

_forte,

étant donné la faible valeur de

ce

_champ,

et

_{remarquablement}

stable. Ultérieu-rement, ces

_principes

ont été

_appliqués

en

géomagné-tisme dans un

_grand

nombre de travaux. Plus

tard,

les chimistes étudiant le

_sesquioxyde

de fer et les

ferrites à la balance de Curie ont retrouvé ce

phéno-mène : c’est l’aimantation à chaud de H.

Fores-tier

_[7,

24,

29].

La thermorémanence constitue de

_beaucoup

le

_chapitre

le

_plus

_important

et le

_plus

inté-ressant dans l’étude des

_{propriétés magnétiques}

des roches

_volcaniques

et des terres cuites où elle

est

_générale.

Sans doute n’est-elle pas, comme

l’affirme T.

_Nagata

_[27],

absolument

_spéciale

à ces

corps

naturels,

mais elle

constitue,

en tout cas

chez eux, une

_{particularité remarquable.}

Pendant

_longtemps

les

_{géophysiciens}

ont

davan-tage

cherché à se servir de la thermorémanence

_qu’à

l’étudier

_{systématiquement.}

Avec K. Puzicha

_[30],

J.

_{Koenigsberger}

_[17,

_{18, 21,}

_22],

commence

vrai-ment un travail

_méthodique,

riche en résultats et

en

_{conséquences}

_{pour les recherches} de

géomagné-tisme fossile. J’ai ensuite étudié les mêmes

_problèmes

sur les terres cuites

naturelles,

y

compris

les

_briques

tout à fait

ordinaires,

mais surtout sur des

_argiles

fines moulées en

_cylindres

et cuites dans des condi-tions variées de

_{température,}

_{d’atmosphère}

du

_four,

de

_{champ magnétique [40, 41].}

Ultérieurement,

une étude

_analogue

a été

_entreprise

_{par Mlle}

_Roquet

sur

le

_sesquioxyde

de fer

_{rhomboédrique [32]}

en même

temps

que des essais nouveaux sur les terres

cuites,

surtout en ce

_qui

concerne l’effet de

_champs

intenses

_{[34]. J’exposerai}

d’abord les résultats ainsi obtenus et

_je

reviendrai ensuite sur le cas des

roches. ,

1 ° Terres cuites stabilisées. A. T. R. totale.

-La

_plupart

des essais

_comporteront

des chauffes

et des

_{refroidissements;}

_j’attache

une _grosse

impor-tance à ce _que ces

_opérations

ne

_{provoquent plus}

de variations irréversibles dans la

_composition

de

la terre

_cuite,

au moins dans ses éléments

ferro-magnétiques.

Cette stabilisation est assez

_générale

pour des

terres,

cuites à

température

relativement élevée et

_pendant

un

_temps

assez

_long,

ce

_qui

est

le cas de toutes les

_{pièces céramiques,}

_y

_compris

les terres cuites

_grossières.

Au

_laboratoire,

les cuissons d’essais sont souvent

_plus

_rapides

et des recuits sont souvent

_{nécessaires;}

il est

_{parfois indispensable}

aussi

.d’opérer

en

_atmosphère

_définie,

_{neutre par}

_exemple,

pour obtenir la stabilité cherchée.

Admettons au

_départ

comme un fait

_{expérimental}

que toute terre

cuite,

réchauffée

puis

refroidie en

champ magnétique

nul,

est

_{rigoureusement}

désai-mantée dès que sa

température

a

_dépassé

une certaine

valeur

_To.

Cette

_température

est souvent

_670"

C

et dans tout ce

qui

suit,

au lieu de

_To,

j’emploierai

cette valeur

₆₇₀₀

_{plus parlante. L’expérience}

de

base est la suivante : on chauffe une terre cuite

(échantillon

cylindrique

ou

_{brique ordinaire)}

jusqu’à

67oo

et on la laisse se refroidir dans un

champ

magnétique

donné,

qui

peut

être très

faible;

c’est par

exemple

le

_champ

_magnétique

terrestre,

soigneusement

mesuré là où se trouve

l’objet.

Le corps étant revenu à la

_température

ordinaire,

que nous _supposerons

_{toujours égale}

à _{2oo, il}

_porte

un moment

_{magnétique permanent}

que l’on mesure. On observe les faits suivants :

- le moment est

dirigé

dans

_l’objet

comme l’était le

_champ

_agissant

au

_{refroidissement;}

- le moment _ne

- le moment est le même si l’on

reprend

une nouvelle chauffe en

_changeant

l’orientation du

corps par

rapport

au

_{champ (terre}

cuite stable par

hypothèse,

non franchement

_anisotrope

dans son

ensemble;

les

_champs

_{démagnétisants}

liés à la forme de

_l’objet

sont

_{insignifiants);}

-- le moment est le même

quel

que soit le

champ

qui pouvait agir

sur le corps

_pendant

la

chauffe;

- le moment reste le même si la chauffe _a été

poussée

au delà de

_67oo

et

quel

_{que soit le}

_champ

ayant

agi

de la

_{température supérieure}

de chauff e

à

_670°;

-

enfin,

mais avec

_quelques

réserves

_(une

expé-rimentation fine restant à

_faire)

le moment ne

dépend

pas,

pratiquement,

de la vitesse de refroi-dissement.

Désignons

par l’aimantation

spécifique

globale

du corps

(moment

moyen par

gramme);

nous la

_qualifierons

_{de totale pour}

_indiquer

_{que le}

champ

a

_{agi pendant}

tout le refroidissement.

2° Variation de l’A. T. R. totale en

_fonction

du

_{champ magnétisant.}

-

L’opération

d’aimanta-tion par refroidissement de

₆₇₀

à 2oD dans un

champ

magnétique

est

_répétée

_{pour différentes}

valeurs de H. Des courbes de _variation

correspon-dantes,

en fonction de

H,

ont été établies pour des terres cuites et pour des

champs

relati-vement faibles

_(jusqu’à

_4o

Oe

_environ)

_{([40], ~}

₅₅₎

et

_plus

récemment _{pour du}

_sesquioxyde

de fer et

pour une terre

cuite,

les essais

_ayant

été

_poussés

jusqu’à

des

_champs

élevés

_{(7 700 Oe)}

_[34].

Champs

très

_faibles.

-

D ans

la

région

des

_champs

très

faibles,

de l’ordre de

_l’Oersted,

l’A. T. R.

est

_{proportionnelle}

au

_champ.

Elle

pré-sente le caractère

_remarquable

d’être relativement

élevée. Pour un

_objet

t

donné,

’

le

_rapport

qui

a les dimensions d’une

_{susceptibilité}

_massique,

est

_grand

_par

_rapport

à la

_{susceptibilité}

de

_l’objet,

mesurée à 2 0~ et considérable vis-à-vis du

_quotient

(extrapolé

vers les

_{champs faibles),}

H-,

0"1’ étant

l’A. R. 1. _{que laisserait à} 200 l’action brève du

champ

H. Par

_exemple,

on _{a, pour} H de l’ordre

de

l’Oersted,

Champs

moyens. - Un autre fait

remarquable

apparaît

immédiatement : dans les

_champs

de

_quelques

Oersted,

l’A. ’I’. R. totale croît moins vite _{que le}

champ

et bientôt

_beaucoup

moins vite

_(fig.

_;).

Fig. Il.

A. T. R. : 1 en fonction de H (J, Roquet). Champs faibles et moyens.

Ainsi,

la variation en fonction du

_champ

est très

différente de celle de l’aimantation induite et de la rémanence

_qui

croissent,

dans cette

_région,

_presque

linéairement _{pour la}

_première

et

_beaucoup

_plus

vite que le

champ

pour la seconde.

Champs

torts.

--- Il

est intéressant de _comparer

l’A. T. R. à l’A. R. I. Les deux aimantations tendent

vers une intensité de saturation

_qui

_pourrait

être

commune, l’A. T. R. restant

_{toujours supérieure}

à l’A. R. 1. _pour un

_champ

donné

( fig. 5).

Pour la

Fig. 5.

Terre cuite. A. T. R. et A. R. I. en fonction de H.

(J. Roquet [34]). Champs forts.

terre cuite _{étudiée par Mlle}

_Roquet

_[34],

cette

satu-ration est _{presque atteinte pour l’A.} T. R. dans le

champ

maximum

utilisé,

de 7

700

Oe;

elle n’est pas

atteinte encore _{pour l’A. R.} 1. dans le

_champ