Modélisation des anomalies magnétiques

L’étude de la notion de champ et dans ce cadre celle du champ magnétique figurent au programme de Première S en SPC. Il y a là un terrain propice à un travail bi-disciplinaire SPC/SVT visant à donner une plus grande cohérence à l’enseignement des sciences expérimentales.

Liaison avec le programme

Niveau concerné : 1ère S
Partie du programme : Thème 1 - B La tectonique des plaques : l’histoire d’un modèle

Place dans la progression :

Pour que les activités proposées en SVT prennent tout leur sens, une bonne coordination avec le collègue de SPC est indispensable. La connaissance de la notion de champ magnétique, des caractéristiques du champ magnétique terrestre sont nécessaires à une bonne compréhension des résultats des expériences proposées en SVT.

Or l’étude de la notion de champ et dans ce cadre celle du champ magnétique figurent au programme de Première S en SPC ;
Il y est notamment suggéré :

    • de définir les sources possibles de champ magnétique, telles que la Terre, un aimant ou une roche
    • de pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique,
    • de connaître l’ordre de grandeur de différents champs magnétiques.
Activités magnétisme SPC préliminaires

Il y a là un terrain propice à un travail bi-disciplinaire visant à donner une plus grande cohérence à l’enseignement des sciences expérimentales pour faciliter la compréhension des phénomènes et l’appropriation des connaissances par les élèves.

Nous proposons une série d’activités expérimentales à partir desquelles il est possible de construire des séances de travail par atelier.

Notions, compétences

Notions L’hypothèse d’une expansion océanique et sa confrontation à des constats nouveaux
La mise en évidence de bandes d’anomalies magnétiques symétriques par rapport à l’axe des dorsales océaniques, corrélables avec les phénomènes d’inversion des pôles magnétiques (connus depuis le début du siècle), permet d’éprouver cette hypothèse et de calculer des vitesses d’expansion.
Objectifs et mots clés. Cette étude est l’occasion de fournir aux élèves les données fondamentales sur le magnétisme des roches (magnétite, point de Curie).

[Limites. Un élève doit situer cet épisode de l’histoire des sciences dans les années 1960. La mémorisation des dates précises et des auteurs n’est pas attendue.]
Convergences. Physique : magnétisme.
Pistes. Les variations du champ magnétique terrestre ; les inversions magnétiques.
Compétences Comprendre comment la corrélation entre les anomalies magnétiques découvertes sur le plancher océanique et la connaissance plus ancienne de l’existence d’inversion des pôles magnétiques confirma l’hypothèse de l’expansion océanique.

Activité 1 : acquisition d’une aimantation thermorémanente par les roches du plancher océanique

- Notion : CERTAINES ROCHES PEUVENT DEVENIR DES SOURCES MAGNÉTIQUES

- Ressources :

1. Expériences simples :
Mise en évidence et mesure du champ magnétique émis par une roche

2. Vidéo (fichier vidéo nommé Point de curie tige de fer)

Point de curie tige de fer

Expérience montrant :

  • qu’une tige en fer perd ses propriétés magnétiques lorsqu’on élève sa température au-delà de 700°C environ (température de Curie pour le fer)
  • que cette même tige en fer est de nouveau attirée par un aimant lorsque sa température redescend sous le point de Curie.
    On parle d’aimantation thermorémanente.
    Point de curie tige de fer

Il en est de même pour tous les matériaux ferromagnétiques, comme les roches du plancher océanique (basaltes, gabbros, péridotites)

Par conséquent quand une roche du plancher océanique franchit le point de Curie au niveau de la dorsale, elle s’aimante et devient une source magnétique, générant un champ de même direction et de même sens que le champ terrestre du moment.

3. Les dorsales océaniques présentent une activité volcanique épisodique : une lave à 1200°C en sort alors, qui cristallise vers 900°C avant de poursuivre son refroidissement.
Les roches contenant des minéraux ferromagnésiens (ex : Fe3O4) et soumises au champ magnétique terrestre s’aimantent lors de leur refroidissement lorsqu’elles franchissent la température de Curie (500 à 700°C selon les roches) pour devenir des sources magnétiques (des aimants) ayant « fossilisé » le champ du moment de leur formation.
Elles conservent cette aimantation tant que leur température ne dépasse pas de nouveau la température de Curie.

LE CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE S’INVERSE

Un peu d’histoire

En 1906, B. Brunhes comprend non seulement que les laves ont une mémoire magnétique, mais émet aussi l’hypothèse que certaines montrent des inversions du magnétisme ; en d’autres termes, que le champ magnétique terrestre s’inverse parfois.

En 1929, le japonais M. Matuyama ajoute une notion temporelle à ces inversions. Il date diverses coulées de laves et conclut à l’existence d’inversions multiples à travers les temps géologiques.

Les conclusions de Brunhes et Matuyama tombent dans l’oubli jusqu’à ce que les américains s’intéressent aux inversions de champ magnétique.
En 1950, le physicien américain J. Graham a émis l’idée que les inversions de polarité magnétique ne sont pas dues à une inversion du champ magnétique terrestre comme l’avait proposé Matuyama, mais à un phénomène bien connu en physique des solides, l’auto-inversion, qui interviendrait lors de la cristallisation de certains minéraux. Bien que fausse, cette proposition a eu le mérite d’avoir amorcé un débat qui remit à l’ordre du jour le paléomagnétisme.

En 1960, J. Reynolds du département de physique de Berkeley (Californie) et J. Verhoogen du département de géologie de la même université unissent leurs efforts pour étudier des basaltes : l’un met au point une méthode de datation isotopique permettant d’avoir des âges précis, l’autre s’applique à obtenir des mesures fiables d’orientation du paléomagnétisme sur les mêmes échantillons.

Ils démontrent rapidement le bien-fondé de l’hypothèse de Brunhes et des conclusions de Matuyama.

W. Elsasser de l’Université Princeton et T. Bullard de Cambridge en Grande Bretagne développent l’idée d’une dynamo centrale située dans le noyau terrestre. Pour expliquer les inversions épisodiques du champ magnétique, ils conçoivent que cette dynamo pourrait présenter des comportements instables.

Finalement, entre 1960 et 1966, la réalité des inversions du champ magnétique va être démontrée par deux équipes issues de Berkeley : une équipe du USGS (United States Geological Survey) en Californie composée d’A. Cox, R. Doell et B. Dalrymple, et une équipe de l’ANU (Australian National University) formée de I. McDougall et F. Chamalun.
À partir de laves relativement récentes, ils construisent ensemble une échelle des inversions magnétiques pour les derniers 4 Ma.
En noir, périodes normales (durant lesquelles le champ magnétique était orienté comme aujourd’hui)

En blanc, périodes inverses (durant lesquelles le champ magnétique était orienté à l’inverse d’aujourd’hui)

MODELISATION ANALOGIQUE DE L’AIMANTATION DES ROCHES DU PLANCHER OCÉANIQUE AU COURS DES TEMPS GÉOLOGIQUES

- Ressources  :

  • fichier nommé Diaporama activités magnétisme
    Diaporama magnétisme
  • matériel :
Matériel utilisé Objet (ou phénomène) réel représenté
Alimentation 10V/30A
Bobine
Entrefer
Fils électriques
Champ magnétique terrestre
Petits récipients
Miel liquide
Petits aimants d’agitateurs magnétiques
Roches de la lithosphère océanique en cours de refroidissement
Interrupteur « couteau » permettant d’inverser le sens du courant Inversion du champ magnétique terrestre
Aiguilles aimantées Boussoles
  • Protocole  :
    Vidéo montrant la manière dont les aimants s’orientent au voisinage de l’électro-aimant : fichier vidéo nommé Rotation aimant miel
Rotation aimant miel
Rotation aimant miel

Faire défiler (ou placer successivement) les récipients contenant les petits aimants droits baignant dans le miel devant l’entrefer de la bobine.
Après le passage de chaque récipient, inverser le sens du courant.
Après que tous les récipients ont défilé devant l’électro-aimant, placer une aiguille aimantée devant chacun d’entre eux. L’aiguille est déviée dans la même direction mais dans des sens qui alternent.

  • Vidéo montrant que les aimants se sont orientés alternativement en sens inverse : fichier vidéo nommé Résultat aimantations inverses
    Résultat aimantations inverses
Résultats aimantations inverses

activité 2 : Le mystère de la peau de zèbre sous le plancher…

HISTORIQUE DE L’INTERPRÉTATION DE LA « PEAU DE ZÈBRE »

Lors des premières phases de l’exploration des fonds océaniques (dans les années 40 et 50), les relevés de l’intensité du champ magnétique à l’aide d’un magnétomètre tiré par un bateau avaient montré l’existence, sur ces fonds, d’une alternance de bandes parallèles de magnétisme faible et de magnétisme élevé. On parlait de bandes d’anomalies magnétiques.
Au début des années 1960, Vine, Matthews et Morlay ont apporté l’explication voulue et montré que l’existence de ces bandes d’anomalie magnétique venait supporter l’hypothèse de l’étalement des fonds océaniques de Hess. La lithosphère océanique formée à la dorsale enregistre la polarité du champ magnétique terrestre au moment où les roches qui la constituent franchissent le point de Curie. Le plancher océanique qui s’étale se comporte comme la bande magnétique d’un magnétophone qui fixe le son (ici, la polarité du champ magnétique) au fur et à mesure de son déroulement. Ce sont ces différences de polarité magnétique qui sont responsables des anomalies de l’intensité du champ. La polarité actuelle étant normale, les bandes d’intensité élevée correspondent aux bandes de polarité normale, résultant d’un effet d’addition, alors que les bandes d’intensité faible correspondent aux bandes de polarité inverse, résultant d’un effet de soustraction.

MODELISATION ANALOGIQUE DE L’ENREGISTREMENT DES ANOMALIES MAGNETIQUES SUIVANT UN TRAJET PERPENDICULAIRE A UNE DORSALE OCEANIQUE

- Ressources : fichier nommé Diaporama activités magnétisme

  • Matériel
Matériel utilisé Objet (ou phénomène) réel représenté
Grands aimants droits
« Séparateurs » en carton ou en plastique
Planche en bois
Fond océanique formé de roches « aimantées »
Règle graduée
Teslamètre
Sonde à effet Hall
Matériel de mesure de l’intensité du champ magnétique au-dessus du plancher océanique
  • Protocole  :
    • Placer les aimants perpendiculairement à la direction du champ terrestre.
    • Orienter la sonde parallèlement au champ terrestre puis la déplacer au dessus des extérmités des aimants droits le long de la règle selon la direction Oz ; mesurer la valeur de la composante horizontale du champ magnétique selon la direction Ox (sonde réglée sur Bx) pour différentes abscisses L le long de la règle.
    • La règle aura été bien alignée avec la direction du champ terrestre de façon à minimiser l’influence du champ terrestre devant celui créé par la maquette]

    • Relever des valeurs de Bx et L dans un tableau :
L (cm) 0 1 2 3 4 ...
Bx (unité arbitraire)
    • En utilisant un tableur-grapheur, tracer de la courbe représentant les variations de Bx avec L (L en abscisse, Bx en ordonnée).
    • Imaginer l’organisation des aimants sous la planche ; schématiser
  • Diaporama proposant une interprétation de l’enregistrement obtenu
    fichier nommé Diaporama activités magnétisme
La « peau de zèbre » des fonds océaniques

Laurent Guerbois

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