Le magnétisme des roches est au cœur de la prospection géophysique et du paléomagnétisme. Ce chapitre construit la théorie du champ magnétique depuis la loi de Coulomb magnétique jusqu'à l'aimantation et la susceptibilité des matériaux, en passant par le dipôle et le théorème de Poisson. C'est la base indispensable pour comprendre le champ magnétique terrestre traité au chapitre 4.
1. La loi de Coulomb magnétique et les pôles
Par analogie avec l'électrostatique, on décrit historiquement l'interaction magnétique à l'aide de pôles magnétiques fictifs, de « masses magnétiques » m₁ et m₂ : la force entre deux pôles ponctuels est proportionnelle au produit des masses magnétiques et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare, dirigée selon la droite qui les joint — c'est la loi de Coulomb magnétique. Contrairement à la charge électrique, un pôle magnétique isolé n'a jamais été observé dans la nature : les pôles Nord et Sud vont toujours par paire, ce qui conduit directement à la notion de dipôle magnétique.
2. Le dipôle magnétique, son champ et son potentiel
Un dipôle magnétique est formé de deux pôles opposés séparés par une petite distance ; il est caractérisé par son moment magnétique, vecteur orienté du pôle Sud vers le pôle Nord, dont la norme est le produit de la masse magnétique par la distance qui sépare les pôles. Le potentiel magnétique créé par un dipôle en un point décroît avec le carré de la distance et dépend de l'angle entre le moment magnétique et la direction d'observation ; le champ magnétique, qui dérive de ce potentiel par la relation gradient, décroît quant à lui avec le cube de la distance. Cette décroissance rapide explique pourquoi une anomalie magnétique localisée s'atténue vite avec la profondeur de la source.
3. Le théorème de Poisson et le potentiel magnétique
Le théorème de Poisson établit une relation formelle entre le potentiel magnétique créé par un corps aimanté et le potentiel gravitationnel qu'aurait une distribution fictive de masse de même géométrie : il permet de transposer les méthodes de calcul du potentiel gravitationnel à celles du potentiel magnétique, et réciproquement. Cette parenté mathématique entre gravimétrie et magnétisme, déjà annoncée par le formalisme du chapitre 1 (gradient, laplacien), est l'une des raisons pour lesquelles les deux méthodes sont souvent enseignées et interprétées ensemble en géophysique appliquée.
4. Induction magnétique, aimantation et susceptibilité
Lorsqu'un matériau est placé dans un champ magnétisant H, il développe en son sein une aimantation (ou moment magnétique par unité de volume), notée J ou M. Le champ magnétique réellement présent dans la matière, appelé induction magnétique B, résulte de la combinaison du champ magnétisant appliqué et de l'aimantation induite. La proportionnalité entre l'aimantation et le champ magnétisant, pour un matériau donné, définit la susceptibilité magnétique k : c'est cette grandeur, propre à chaque roche selon sa teneur en minéraux magnétiques, qui gouverne la réponse d'un terrain à la prospection magnétique.
5. Le comportement magnétique des roches et des minéraux
On classe les matériaux selon le signe et l'intensité de leur susceptibilité. Les matériaux diamagnétiques (quartz, calcite, la plupart des minéraux formant la roche) ont une susceptibilité faible et négative : ils s'aimantent très légèrement en sens opposé au champ appliqué. Les matériaux paramagnétiques (certains minéraux ferro-magnésiens) ont une susceptibilité faible et positive. Les matériaux ferromagnétiques — au sens large, incluant le comportement ferrimagnétique de la magnétite, minéral clé de la prospection magnétique et du paléomagnétisme — présentent une susceptibilité forte et positive, et peuvent conserver une aimantation même après suppression du champ extérieur : c'est cette aimantation rémanente qui enregistre l'histoire du champ terrestre dans les roches.
Vecteur caractéristique d'un dipôle magnétique, orienté du pôle Sud vers le pôle Nord, dont l'intensité gouverne le champ et le potentiel créés à distance.
Grandeur, propre à chaque matériau, qui mesure l'aptitude d'un corps à s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétisant extérieur ; positive et forte pour les roches riches en magnétite.
| Comportement | Susceptibilité | Exemples géologiques |
|---|---|---|
| Diamagnétique | Faible, négative | Quartz, calcite |
| Paramagnétique | Faible, positive | Minéraux ferro-magnésiens |
| Ferro/ferrimagnétique | Forte, positive | Magnétite, roches basiques riches en oxydes de fer |
Les trois comportements magnétiques des roches
- La loi de Coulomb magnétique décrit une interaction entre pôles fictifs ; aucun pôle isolé n'existe, d'où la notion de dipôle.
- Le champ d'un dipôle décroît en 1/r³, son potentiel en 1/r² : les anomalies magnétiques s'atténuent vite avec la distance à la source.
- Le théorème de Poisson relie potentiel magnétique et potentiel gravitationnel d'un même corps.
- Induction B, champ magnétisant H et aimantation J sont liés par la susceptibilité magnétique du matériau.
- Diamagnétique (susceptibilité faible négative), paramagnétique (faible positive), ferromagnétique (forte positive, rémanence possible).
- La magnétite est le minéral clé de la prospection magnétique et du paléomagnétisme grâce à sa forte aimantation rémanente.
Les examens demandent souvent de définir moment magnétique, susceptibilité et aimantation, et de classer des minéraux courants selon leur comportement magnétique. Piège classique : confondre champ magnétisant H et induction B, ou oublier que le champ d'un dipôle décroît plus vite que son potentiel. Le théorème de Poisson est régulièrement cité en cours théorique, moins souvent en calcul.