(Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences).

En images : les 100 ans de la découverte des inversions du champ magnétique terrestre !

Géologie

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Les 27 et 28 juin 2007 étaient organisées à Clermont-Ferrand différentes manifestations pour commémorer la découverte des inversions du champ magnétique terrestre par Bernard Brunhes. Comme annoncé dans un article précédent, Futura-Sciences avait décidé de suivre l’événement, notamment une sortie géologique dans le Cantal sur les traces de Bernard Brunhes.

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L'étude du champ magnétique terrestre a une longue histoire, en particulier à cause de son importance pour la navigation. Aujourd'hui, l'étude de ses variations dans le temps est l'un des moyens les plus efficaces pour sonder et comprendre la structure et la dynamique du noyau de notre planète. La science du paléomagnétisme, quant à elle, nous permet de remonter dans le temps pour connaître l'histoire de la planète et suivre aussi bien l'expansion des fonds océaniques que la dérive des continents. De fait, c'est grâce à cette science du magnétismemagnétisme fossile de la Terre, enregistré par certaines roches comme des laves se refroidissant, que la théorie de la tectonique des plaquestectonique des plaques a pu être découverte et démontrée dans les années 60 et au tout début des années 70. Enfin, les méthodes magnétiques sont couramment utilisées pour détecter des anomaliesanomalies du champ géomagnétique pour la prospection géophysique, l'étude des volcansvolcans et même l'archéologie.

On sait que les chinois ont été les premiers, vers le 11^ième siècle, à utiliser des boussoles pour la navigation. En Europe, même si l'existence du magnétisme était connue depuis les grecs, avec les roches se trouvant dans la région de la ville de Magnésie, il faudra attendre la publication en 1600 du « De Magnete » de William Gilbert pour que la science du géomagnétismegéomagnétisme soit vraiment fondée. Celui-ci avait alors émis l'hypothèse que la Terre était un gigantesque aimantaimant. Les différents navigateursnavigateurs européens, qui parcouraient la planète, avaient aussi commencé à noter qu'en fonction de leur position sur la planète, l'angle que faisait l'aiguille d'une boussole avec la verticale du lieu (l'inclinaison), ou avec la direction du pôle nord géographiquepôle nord géographique (la déclinaisondéclinaison), variait. En 1701, Halley publiait d'ailleurs la « tabula Nautica », la première carte de cette dernière.

Bien évidemment, les variations séculaires du champ magnétique terrestre ne tardèrent pas à être mises en évidence après celles à l'échelle de l'année. Ces variations étaient peu compatibles avec l'explication fournie par Gilbert de l'origine du champ magnétique, le champ d'un aimant ne variant pas dans le temps, et certains commencèrent à envisager une cause extérieure. Cette dernière hypothèse fut réfutée par Gauss en 1838. En utilisant la théorie de la décomposition des champs de potentiel en harmoniques sphériques, et sa théorie des moindres carrés, il fut en mesure de prouver que le champ géomagnétique était bien celui produit majoritairement par un dipôle à l'intérieur de la Terre, c'est-à-dire une sphère uniformément magnétisée.

Cela n'expliquait toujours pas les fluctuations rapides du champ magnétique observées et la situation allait rapidement devenir pire suite à deux découvertes : d'abord celle d'une augmentation rapide de la température des roches au fur et à mesure que l'on s'enfonce à l'intérieur de la Terre et enfin celle d'une température limite de 500 à 600 ° C, la température de Curie, au-delà de laquelle un aimant perd son aimantationaimantation.

C'est donc dans ce contexte que Bernard Brunhes (prononcez « brugne »), jeune physicienphysicien sortant de l'Ecole Normale Supérieure et agrégé de PhysiquePhysique en 1889, s'est intéressé à la physique du Globe, et en particulier au champ magnétique terrestre. Il venait d'ailleurs d'être nommé Directeur de l'Observatoire du Puy-de-Dôme en 1900 (l'ancêtre de l'actuel OPGC qui verra d'ailleurs aussi passer une autre sommité de la science du magnétisme, le prix Nobel Louis Néel). Il montre que les coulées de laves anciennes ont des aimantations dont les directions diffèrent sensiblement de celles du champ magnétique actuel, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle discipline : le paléomagnétisme, et c'est en 1906 qu'il publiera sa découverte fondamentale de 1905.

Les conférences de Vulcania

Cette année, hommage a donc été rendu au pionnier du paléomagnétisme, sous la forme d'une série de conférences pour le grand public données à Vulcania sous la présidence de Jean-Louis LE MOUËL, directeur honoraire de l'Institut de Physique du Globe de Paris, membre de l'Académie des Sciences.

Ces conférences faisaient suite à celle, plus technique, qui avait eu lieu le matin même sur le campus de l'Université des Cézeaux, juste à coté de l'OPGC et du LPC dans l'Amphithéâtre « Recherche », laquelle était placée sous la présidence de Vincent COURTILLOT, directeur de l'Institut de Physique du Globe de Paris, membre de l'Académie des Sciences et mondialement célèbre pour avoir proposé d'expliquer la disparition des dinosaures par les énormes émissionsémissions basaltiquesbasaltiques des Trapps du DeccanTrapps du Deccan en Inde, il y a 65 millions d'années.

Ceux qui étaient présents à Vulcania ont donc pu assister à 3 conférences.

La première était intitulée « Le champ magnétique et ses variations séculaires » .

Elle était donnée par Jean-François LENAT, physicien à l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand et qui connaît bien le Piton de la FournaisePiton de la Fournaise à la Réunion ainsi que les méthodes géophysiques basées sur le champ magnétique, utilisées pour comprendre et surveiller les volcans. Nous avons pu voir des cartes montrant la dynamique du champ magnétique au cours de ces 4 derniers siècles et, comme exemple des applicationsapplications du champ magnétique à la volcanologie, Jean-François LENAT nous a montré les relevés de champs magnétiques dans la Chaîne des Puys ayant conduit à la découverte d'un ancien lac de lave solidifié qui était resté inaperçu jusqu'à récemment.

La deuxième, quant à elle, portait le titre suivant « Les inversions magnétiquesinversions magnétiques : la découverte de Bernard Brunhes ; mécanismes des inversions et migration du pôle magnétiquepôle magnétique virtuel », par Jean-Pierre VALET, directeur de recherche au CNRS, Institut de Physique du Globe de Paris.

Un moment particulièrement frappant de cette conférence a été celui où Jean-Pierre VALET, après avoir rappelé que la découverte des inversions du champ magnétique terrestre avait donné lieu à la mise en place d'une chronologie, nous a montré que les périodes où l'on a constaté de grandes extinctions, comme les limites CrétacéCrétacé-Tertiaire et PermienPermien-TriasTrias, étaient accompagnées d'une stabilité inhabituelle du champ magnétique de la Terre, qui maintenait son orientation beaucoup plus longtemps qu'en moyenne. Malgré le caractère aléatoire associé aux duréesdurées des polarités du géomagnétisme, une telle corrélation semble difficilement s'expliquer par une coïncidence. Comme le champ magnétique de la Terre tire son origine des mouvementsmouvements de convectionconvection dans le noyau, et que les phénomènes des Trapps sont expliqués par des instabilités thermiques à l'interface manteaumanteau-noyau générant la remontée de panaches de matièrematière chaude à l'origine de points chaudspoints chauds, cette observation est vraiment fascinante.

La troisième conférence en devenait d'ailleurs encore plus intéressante puisqu'elle s'intitulait « Le noyau terrestrenoyau terrestre : origine et évolution du champ magnétique ». Elle était donnée par Philippe CARDIN, directeur de recherche au CNRS, Observatoire de Grenoble. Celui-ci nous a exposé les différentes théories proposées pour rendre compte du champ magnétique de la Terre.

L'explication moderne est partie des tentatives de Larmor en 1919 pour expliquer le champ magnétique des taches solairestaches solaires. Celui-ci avait déjà noté que sa théorie pouvait tout aussi bien s'appliquer à la Terre, si celle-ci possédait une partie fluide et conductrice. Il faudra attendre les travaux des sismologuessismologues Inge Lehmann et Harold Jeffreys pour en avoir la preuve.

Les tentatives pour développer la théorie de la dynamodynamo auto-excitée de Larmor se multiplient mais elles reçoivent un coup de frein sérieux avec le « no-go » théorèmethéorème de Cowling en 1934. Comme toujours, un théorème d'impossibilité ne tient qu'en fonction de ses hypothèses, en l'occurrence celle d'axisymétrie, et si l'on ajoute des mouvements turbulents dans le noyau liquideliquide en ferfer conducteur, l'objection est levée ! De nos jours, les simulations numériquessimulations numériques et les expériences en laboratoires portant sur des dynamos auto-excitatrices, reproduisant le champ magnétique de la Terre et ses inversions, montrent que les pionniers de la théorie de la géodynamo, parmi lesquels on trouve les noms de Elssaser, Bullard et surtout Braginsky avaient raison de ne pas s'être laissés arrêter par ce théorème.

Dans les pas de Bernard Brunhes à Pont Farin

La journée du lendemain, le Jeudi 28 Juin 2007, était consacrée à une excursion dans le massif volcanique du Cantal, avec comme objectif final de se retrouver sur les lieux même de la découverte des inversions du champ magnétique terrestre : une couche d'argileargile cuite par une coulée de basaltebasalte, datée de 4,8 millions d'années, et localisée juste à côté du hameau de Pont FarinPont Farin.

Philippe ROCHER, ingénieur au BRGMBRGM, et surtout Nathalie VIDAL chargée de mission au Muséum d'histoire naturelle de Clermont-Ferrand (Musée Lecoq) étaient nos guides. Nathalie connaît particulièrement bien le stratovolcan du Cantal car son sujet de thèse en volcanologie portait justement sur celui-ci, qui est considéré comme l'un des plus grands stratovolcansstratovolcans d'Europe avec l'EtnaEtna. Comme tous les volcans de ce type, il est constitué d'un entremêlement complexe d'édifices volcaniques produits par différentes éruptions datant de différentes époques avec plusieurs dynamismes éruptifséruptifs. Sur presque 2 500 km² on trouve donc aussi bien des basaltes que des phonolitesphonolites ainsi que des dépôts de nuées ardentesnuées ardentes ou de laharslahars.

Plusieurs volcanologuesvolcanologues étaient aussi présents lors de cette sortie, comme Pierre VINCENT qui avait guidé Haroun TAZIEFFHaroun TAZIEFF dans la région volcanique du Tibesti, et bien sûr les organisateurs de ces deux journées : Jacques KORNPROBSTJacques KORNPROBST (Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand) et François Dominique de LAROUZIERE (Vulcania). Nous accompagnaient également, Jean-Louis LE MOUËL et Jean-Pierre VALET.

Un des sites volcanologiques les plus intéressants, lors de notre voyage dans les pas de Bernard Brunhes, a été celui du Puy Mary dans la matinée. Daté de 6,43 +/- 0,08 millions d'années, c'est un site touristique trés connu à plus de 1500 mètres d'altitude. Sa forme pyramidale est dûe à l'action des glaciersglaciers qui ont profondément modifié le stratovolcan du Cantal.