Paléomagnétisme : la mémoire magnétique des roches

Qu'est-ce que le paléomagnétisme ?

Le champ magnétique terrestre et le noyau

Le champ magnétique terrestre est généré par le noyau externe de la Terre, qui est composé de fer liquide. La chaleur du noyau interne, composé de fer solide, est transférée vers le noyau externe liquide par des courants de convection. Les courants de convection entraînent le noyau externe liquide dans une rotation irrégulière mais légèrement plus rapide que la vitesse de rotation de la Terre, cela crée un courant électrique. Ce courant électrique, à son tour, crée un champ magnétique qui se caractérise par une direction, un sens et une intensité.

L'aimantation des minéraux ferromagnétiques

A la surface de la Terre, les minéraux ferromagnétiques, tels que la magnétite (Fe3O4) et l'hématite (Fe2O3), contenus dans les roches de la croute terrestre, ont la capacité de s'aimanter. C'est lorsque le basalte se forme par refroidissement rapide du magma émis par les volcans, que les minéraux ferromagnétiques présents dans la roche s'alignent avec le champ magnétique terrestre ambiant.

Cette aimantation des minéraux ferromagnétiques crée une empreinte magnétique dans le basalte qui peut être étudiée plus tard pour comprendre l'histoire géomagnétique de la région. Autrement dit, lorsque les roches se forment, elles enregistrent l'orientation du champ magnétique terrestre à un moment précis. Au fil du temps, en raison des mouvements des plaques tectoniques, les roches peuvent être déplacées, mais leur empreinte magnétique reste inchangée.

Une mémoire magnétique des roches

Les géophysiciens et les géologues peuvent prélever des échantillons de roches partout dans le monde, les dater et analyser leur orientation et leur intensité magnétique. En comparant ces informations avec la position actuelle des roches, ils peuvent reconstruire les déplacements passés des continents. Cette mémoire magnétique constitue ainsi une archive naturelle précieuse pour retracer l'histoire géologique de notre planète.

Comment retrouver le magnétisme du passé ?

L'aimantation rémanente naturelle

Les minéraux ferromagnétiques conservent l'alignement des ions de fer dans la direction du champ magnétique de la Terre au moment où ils se sont solidifiés, mais aussi l'intensité de l'aimantation. Ainsi, en étudiant de très nombreux sites à travers le monde (observatoires géomagnétiques), les scientifiques peuvent reconstruire l'histoire du champ magnétique terrestre.

Toute matière (végétaux, métaux, animaux, corps humains, etc.) a une aimantation induite, autrement dit, elle a une réponse au champ magnétique terrestre. L'aimantation rémanente est ce que la matière peut retenir, mettre en mémoire, lorsque le champ magnétique ambiant est réduit à zéro. Le paléomagnéticien cherche donc à identifier cette aimantation rémanente.

La mesure au magnétomètre

Le paléomagnéticien est surtout intéressé par la direction de l'aimantation, par rapport au repère géographique du lieu de prélèvement. L'échantillon prélevé (long cylindre de roche) est repéré grâce un système qui permet de relever exactement la direction de la flèche magnétique dans l'espace au lieu de prélèvement.
L'intensité et le sens de l'aimantation conservée sont mesurés avec un magnétomètre.
L'échantillon est positionné dans son repère, c'est-à-dire dans la même position que celle de son lieu de prélèvement. Une machine va l'entraîné en rotation rapide à l'intérieur de bobines blindées, isolées du champ magnétique extérieur. Une déviation est observée dans l'instrument de mesure. Les 3 composantes de l'aimantation sont enregistrées (direction, sens, intensité).

La température de Curie

Ensuite, les scientifiques réchauffent l'échantillon pour faire disparaitre toute l'aimantation thermorémanente dite naturelle. En effet, un matériau ferromagnétique perd son aimantation permanente à une température appelée la "température de Curie", ce phénomène a été découvert par le physicien français Pierre Curie (1859-1906) en 1895.
Puis ils vont produire une nouvelle aimantation dans un champ connu (celui de la Terre). Sans bouger l'échantillon, ils vont la comparer avec l'ancienne aimantation naturelle qu'ils ont enregistrée.
Cette manipulation permet de connaitre les 3 paramètres du champ magnétique au moment où la roche s'est refroidie.

Inversion du champ magnétique terrestre au cours du temps

L'enregistrement dans la croûte océanique

Grâce au paléomagnétisme, les scientifiques ont découvert que de nombreuses inversions du champ magnétique terrestre se sont succédées au cours de l'histoire de la Terre.

L'inversion du champ magnétique terrestre est enregistré au niveau des dorsales médio-océaniques. À ces endroits, le manteau fondu remonte à la surface et se solidifie pour former une nouvelle croûte océanique, préservant la force et la direction du champ magnétique ambiant contemporain. Au fur et à mesure que du nouveau matériau est extrudé, la croûte existante est repoussée de chaque côté de la crête, la direction du champ magnétique ambiant au moment de la formation est gardée. En d'autres termes, lorsque le magma refroidit et se solidifie pour former la croûte océanique, les minéraux ferromagnétiques s'alignent avec le champ magnétique terrestre ambiant au moment de leur solidification. Cela magnétise la croûte océanique, en enregistrant l'orientation du champ magnétique à cet endroit précis et à ce moment précis.

Les anomalies magnétiques

Ainsi, des bandes parallèles de roches magnétisées se forment de chaque côté de la crête centrale de la dorsale. Ces bandes présentent des polarités magnétiques opposées, formant ce que l'on appelle des anomalies magnétiques. Celles-ci sont interprétées comme une alternance de blocs de croûte océanique normale et inversement magnétisée. Ces anomalies observées au niveau des dorsales médio-océaniques sont particulièrement intéressantes car en analysant ces bandes, les scientifiques peuvent reconstruire l'histoire des inversions magnétiques au fil du temps.

La fréquence des inversions

En analysant ces anomalies, les scientifiques ont pu retracer l'histoire des inversions du champ magnétique terrestre sur les derniers 800 millions d'années. Ils ont constaté que la fréquence des inversions est irrégulière, mais qu'elle présente une certaine périodicité. En moyenne, le champ magnétique terrestre s'inverse tous les 250 000 à 300 000 ans. Cependant, il existe des périodes de temps où les inversions sont plus fréquentes, comme il y a 80 millions d'années, lorsque le champ magnétique terrestre s'est inversé tous les 100 000 ans.

Il existe également des périodes de temps où les inversions sont plus rares, comme il y a 100 millions d'années, lorsque le champ magnétique terrestre est resté stable pendant plus de 10 millions d'années.

Inversion du champ magnétique en cours

La diminution du moment dipolaire

Les scientifiques surveillent attentivement le champ magnétique terrestre pour détecter tout signe de changement significatif. Les observations modernes sont effectuées à l'aide de satellites et d'instruments géophysiques pour cartographier le champ magnétique avec précision.

Cependant, même avec ces technologies avancées, prédire exactement quand une inversion se produira reste un défi en raison de la complexité des processus dynamiques qui se déroulent dans le noyau terrestre.

Une inversion imminente ?

À l'heure actuelle, nous assistons à une diminution du moment dipolaire de 6 % par siècle. La diminution du moment dipolaire indique une réduction de l'intensité du champ magnétique terrestre.
La diminution du moment dipolaire du champ magnétique terrestre n'implique pas nécessairement une inversion immédiate du champ magnétique. Bien que la diminution du moment dipolaire puisse être associée à des changements dans le champ magnétique terrestre, l'inversion magnétique est un processus complexe et l'évolution du champ magnétique peut suivre divers scénarios imprévisibles.