Le champ magnétique terrestre protège la planète et laisse une empreinte durable dans les roches. Ce chapitre décrit son origine, ses éléments de mesure, ses variations dans le temps, puis le paléomagnétisme — l'un des outils qui a permis d'établir la théorie de la tectonique des plaques. C'est le prolongement naturel de la théorie du magnétisme vue au chapitre 2.
1. L'origine du champ géomagnétique
Le champ magnétique terrestre est produit, pour l'essentiel, par la géodynamo : les mouvements de convection du noyau externe liquide, riche en fer, couplés à la rotation de la Terre, entretiennent des courants électriques qui génèrent un champ magnétique auto-entretenu. En première approximation, à la surface et à distance modérée, ce champ ressemble à celui d'un dipôle géocentrique légèrement incliné par rapport à l'axe de rotation terrestre — d'où l'écart, en un lieu donné, entre le nord géographique et le nord magnétique. Une composante additionnelle, d'origine externe, provient de l'interaction du vent solaire avec la magnétosphère.
2. Les éléments du champ magnétique terrestre
En un point de la surface, le champ magnétique terrestre se décrit par plusieurs éléments géomagnétiques : la déclinaison D, angle entre le nord géographique et la direction horizontale du champ (le nord magnétique) ; l'inclinaison I, angle entre le champ total et le plan horizontal ; et l'intensité totale du champ, qui peut se décomposer en une composante horizontale et une composante verticale. L'inclinaison est proche de zéro à l'équateur magnétique et proche de 90° aux pôles magnétiques : cette variation systématique avec la latitude magnétique est la clé de son utilisation en paléomagnétisme.
3. Les variations temporelles du champ
Le champ géomagnétique n'est pas figé : il connaît une variation séculaire, lente dérive de ses éléments (déclinaison, inclinaison, intensité) sur des échelles de temps décennales à centenaires, attribuée aux mouvements du noyau externe ; des variations journalières et des orages magnétiques, plus rapides, d'origine externe (interaction avec le vent solaire) ; et, sur des échelles géologiques, des inversions de polarité, au cours desquelles les pôles Nord et Sud magnétiques s'échangent. L'enregistrement de ces inversions dans les roches est à l'origine des échelles magnétostratigraphiques.
4. Aimantation rémanente et paléomagnétisme
Lors de leur formation, certaines roches enregistrent la direction du champ magnétique terrestre de l'époque sous forme d'une aimantation rémanente, portée par leurs minéraux ferromagnétiques (magnétite en particulier). Une roche magmatique refroidissant en dessous d'une température seuil (le point de Curie, propre à chaque minéral) fige une aimantation thermorémanente parallèle au champ ambiant ; une roche sédimentaire peut enregistrer une aimantation détritique lors du dépôt orienté de grains magnétiques. C'est cette mémoire fossile du champ que le paléomagnétisme étudie en laboratoire, sur des échantillons orientés prélevés sur le terrain.
5. Applications à la tectonique des plaques
L'étude des directions paléomagnétiques enregistrées par des roches d'âges différents, sur un même continent, a mis en évidence des trajets apparents du pôle magnétique incompatibles avec un continent fixe : c'est l'un des arguments qui a validé la dérive des continents. Sur les fonds océaniques, l'alternance de bandes d'anomalies magnétiques symétriques de part et d'autre des dorsales, correspondant aux inversions successives du champ enregistrées dans la croûte océanique au fur et à mesure de son accrétion, a fourni la preuve décisive de l'expansion des fonds océaniques et fondé la théorie moderne de la tectonique des plaques.
Angle entre le champ magnétique terrestre total et le plan horizontal en un lieu donné ; proche de 0° à l'équateur magnétique, proche de 90° aux pôles magnétiques.
Aimantation acquise par une roche magmatique lors de son refroidissement en dessous du point de Curie de ses minéraux magnétiques, parallèle au champ terrestre de l'époque.
| Type de variation | Échelle de temps | Origine |
|---|---|---|
| Journalière, orages magnétiques | Heures à jours | Interaction avec le vent solaire (externe) |
| Variation séculaire | Décennies à siècles | Mouvements du noyau externe (interne) |
| Inversions de polarité | Dizaines à centaines de milliers d'années | Instabilités de la géodynamo |
Les échelles de temps des variations du champ géomagnétique
- Le champ géomagnétique naît de la géodynamo dans le noyau externe ; il ressemble en première approximation à un dipôle incliné.
- Déclinaison D (écart au nord géographique) et inclinaison I (angle avec l'horizontale) décrivent la direction du champ en un lieu.
- Variation séculaire (interne, lente), variations journalières (externes, rapides) et inversions de polarité (échelle géologique).
- L'aimantation thermorémanente se fige au refroidissement d'une roche sous le point de Curie de ses minéraux magnétiques.
- Les bandes symétriques d'anomalies magnétiques océaniques ont démontré l'expansion des fonds océaniques et la tectonique des plaques.
Les questions classiques demandent de définir déclinaison et inclinaison, de distinguer les échelles de temps des variations du champ, et d'expliquer le principe des anomalies magnétiques océaniques comme preuve de la tectonique des plaques. Piège fréquent : confondre pôle géographique et pôle magnétique, ou variation séculaire et inversion de polarité.