Activités de recherche
Excursions et inversions du champ géomagnétique
Décrypter le signal paléomagnétique porté par les roches volcaniques et sédimentaires de différentes origines (marine, lacustre, éolienne) permet de retracer les variations temporelles en intensité et/ou en direction du champ géomagnétique au cours des temps géologiques. Ce signal constitue en particulier la seule source d’information sur les excursions et les inversions géomagnétiques
Contact : Yohan Guyodo
Au cours des années 1980, il a été établi que les séquences de loess (dépôts limoneux glaciaires, déposés par les vents et très homogènes en composition et granulométrie) et paléosols (développés sur le loess pendant les interglaciaires) étaient des enregistreurs efficaces des inversions du champ géomagnétique. Cependant, la position stratigraphique de ces inversions n’est pas nécessairement synchrone d’un site à l’autre, une même inversion pouvant se localiser dans une unité de loess ou bien dans une unité de paléosol. Cette observation soulève des questions quant à la qualité de l’enregistrement paléomagnétique dans ces séries sédimentaires. En effet, bien que le sédiment éolien puisse acquérir une aimantation rémanente post-dépôt, cette dernière peut ensuite être altérée par un ou trois des événements suivants: pédogenèse, enfouissement, ou conditions environnementales locales. Quantifier leur impact sur l’aimantation rémanente naturelle des séries de lœss et paléosols revêt donc un intérêt majeur. En comparaison aux nombreuses études expérimentales ou analytiques qui ont été menées sur le processus d’acquisition de la rémanence dans les sédiments marins, très peu concernent ces sédiments continentaux. Cette situation est très regrettable, compte-tenu du potentiel des enregistrements de la variation paléoséculaire dans les loess, pouvant conduire à une géochronologie à haute résolution pour ces sédiments continentaux Quaternaires et à combler l’écart de données qui existe dans la couverture spatiale des enregistrements paléomagnétiques sur les continents. Dans ce contexte, nous étudions le mécanisme d’acquisition de l’aimantation naturelle dans les loess, ainsi que l’impact de la pédogénèse puis de l’enfouissement sur le signal paléomagnétique, par le biais d’expériences de laboratoire sur matériaux naturels et synthétiques, et de simulations numériques.
Archéomagnétisme
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- Poteries
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- Four domestique
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- Variation directionnelle du champ magnétique en France depuis 2000 ans
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- Variation de l’intensité du champ magnétique en France depuis 1700 ans
L’archéomagnétisme est une discipline au carrefour entre le paléo/géomagnétisme et l’archéologie. Elle repose principalement sur l’analyse des propriétés magnétiques des matériaux archéologiques constitués d’argile cuite, comme les structures de combustion (fours de potier, domestiques, à chaux, etc.) et les céramiques (poteries, tuiles ou briques) trouvés lors de fouilles archéologiques. Lorsque l’âge des artefacts étudiés est connu des archéologues, ces analyses archéomagnétiques permettent de retracer l’évolution du champ magnétique terrestre en direction et/ou en intensité au travers des derniers millénaires.
L’IPGP a une longue tradition de recherches en archéomagnétisme commencées dès les années 1930 sous l’impulsion d’Emile Thellier. Nos recherches sont menées en utilisant une instrumentation dédiée et des procédures expérimentales développées au laboratoire. Leurs applications sont tournées à la fois vers le géomagnétisme, pour une meilleure connaissance de la variation séculaire du champ magnétique terrestre surtout en France mais aussi dans d’autres régions du monde (Europe, Proche-Orient, Asie, Amérique du Sud) et vers l’archéologie grâce aux possibilités de datation archéomagnétique.
Les activités de recherches en archéomagnétisme sont effectuées sur deux sites distincts : les mesures directionnelles du champ géomagnétique sont faites au sein de l’observatoire magnétique national à Chambon-la-Forêt, dans le Loiret, tandis que les mesures sur les intensités géomagnétiques sont réalisées dans le bâtiment Cuvier, à Paris.
Les mesures sur les archéo-directions sont effectuées à l’aide d’un inductomètre à rotation adapté à la taille décimétrique des échantillons analysés (photo gauche). Le protocole expérimental utilisé, issu des travaux d’Emile Thellier, repose sur des expériences de traînage magnétique. Une description de la méthode, qui préserve l’atout que représente la grande précision de l’orientation des échantillons faite sur le terrain, peut être trouvée dans la publication Le Goff et al. (2020).
Nos études sur les intensités géomagnétiques sont réalisées à l’aide d’un magnétomètre à échantillon vibrant appelé Triaxe, construit au laboratoire, qui permet de mesurer en continu l’aimantation d’un échantillon de petit volume (inférieur à 1cm3) à des températures variables jusqu’à 650°C, en champ ou en champ nul (photo droite). Nos résultats d’archéointensité sont ainsi obtenus en utilisant un protocole expérimental développé spécifiquement pour bénéficier des capacités du Triaxe (pour sa description, voir Le Goff et Gallet, 2004). Trois magnétomètres de ce type sont disponibles à Cuvier, dont un appartenant au Laboratoire d’Archéologie Moléculaire et Structurale (LAMS, Sorbonne Université).
Nos recherches, effectuées pour la plupart en lien étroit avec le LAMS (Agnès Genevey), s’appuient sur de nombreuses collaborations établies avec divers services de recherches archéologiques (universités, services départementaux ou régionaux de l’archéologie, musées, Inrap, Eveha, Archeodunum).
Le laboratoire est particulièrement impliqué dans l’établissement et l’amélioration constante de la courbe de référence des variations directionnelles et de l’intensité du champ géomagnétique en France au cours des deux derniers millénaires. Menée sans discontinuité depuis les travaux d’Emile Thellier, cette activité fait que nous disposons pour notre pays d’une très bonne description de la variation séculaire géomagnétique durant toute cette période. Ces résultats viennent ainsi prolonger dans le temps les enregistrements directs réalisés en Europe de l’ouest dans les observatoires magnétiques depuis quatre siècles tout au plus pour les directions, mais moins de 200 ans pour les intensités. Au delà de la caractérisation détaillée de la variation séculaire, ces travaux permettent d’utiliser l’archéomagnétisme en France comme outil de datation pour la pratique archéologique.
Nos autres études archéomagnétiques sont focalisées essentiellement sur les variations des intensités géomagnétiques au Proche-Orient (Syrie, Israël, Irak), en Asie (Ouzbékistan, Cambodge), en Afrique (Ethiopie) ou encore en Amérique du Sud (Brésil, Guyane). Dans leur ensemble, elles visent à retracer plus finement le comportement régional et/ou global du champ géomagnétique au travers des derniers millénaires, en s’appuyant sur des méthodes de modélisation développées en collaboration avec nos collègues géomagnéticiens.
Magnétisme environnemental
Le magnétisme minéral permet d’étudier l’évolution de notre environnement à toutes les échelles de temps, des variations climatiques passées aux perturbations anthropiques actuelles. Il permet une détection fine et une caractérisation précise des minéraux magnétiques dans les roches, sédiments, sols ou végétaux, ce qui apporte des informations précieuses sur l’origine de ces minéraux et sur les processus de mise en place et d’altération des formations géologiques.
Contact : France Lagroix
Les dépôts de loess recouvrent une large proportion des surfaces continentales en milieu tempéré. Ils sont l’unique archive de la circulation atmosphérique du passé, une archive inégalée par rapport aux autres archives en terme de continuité spatiale et temporelle du climat continental du Miocène au présent, et possèdent un potentiel avéré d’archiver les changements climatiques globaux et régionaux ainsi que les changements environnementaux locaux. C’est à partir du sédiment éolien primaire, le loess, que nous pouvons remonter à la circulation atmosphérique (direction des vents, intensité) du passé via les variations de l’assemblage minéralogique, de la granulométrie (sédimentaire et magnétique) et de la concentration des différentes composantes minéralogiques. L’altération pédogénique des loess menant à la formation de sols témoigne quant à elle des conditions climatiques au moment de la formation du sol. L’environnement dans lequel évolue le dépôt de loess peut aussi laisser des empreintes sous forme d’altération diagénétique ou de déformation postérieure au dépôt du sédiment loessique. La stratigraphie du dépôt de loess se construit au gré de l’accumulation du loess, de ces variations en taux et fréquence et évolue lorsque les taux d’altération dépassent les taux d’accumulation. Le taux d’altération est lui principalement contraint par le climat où humidité et température sont des facteurs important mais aussi la végétation, les microorganismes et le contexte géomorphologique.
Séquences étudiées ou en cours d’études :
Alaska (Halfway House, Gold Hill Steps), Allemagne (Nussloch), Bulgarie (Harletz, Suhia, Kladenetz), Chine (Baoji), France (Havrincourt, Ferme de Grâce, Achenheim), République Tchèque (Dolni Vestonice)
Contact : Aude Isambert
Le programme de recherche EcorcAir vise à mesurer la pollution anthropique aux nanoparticules de fer.
Visualisez la pollution anthropique de Paris et d’autres villes en cliquant sur le lien ci-dessous.
Cliquez ici pour en savoir plus sur le projet Ecorc’Air
Trindade (Sao Paulo Univ.), Prof. Dr. Pascal Philippot (Montpellier Univ.), Dr. Julie Carlut (IPG-Paris)
Les formations de fer rubanées (BIF) sont des archives de la chimie de l’eau de mer précambrienne et du cycle du fer post-dépôt (Konhauser et al., 2017). Ces roches sont caractérisées par des minéraux ferreux interstratifiés avec des couches riches en silice et/ou en carbonates qui se sont déposées tout au long du Précambrien (Klein, 2005). Au cours des dernières décennies, les études se sont appuyées sur les BIF pour contraindre les conditions environnementales passées (Crowe et al., 2013 ; Satkoski et al., 2015 ; Planavsky et al., 2014) et pour comprendre comment le cycle microbien du fer a évolué parallèlement à des conditions d’oxydation ou de réduction variables dans le temps (Rouxel et al., 2005 ; Johnson et al., 2008 ; Heard et Dauphas, 2020). Étant donné que les BIF se sont accumulées sur le plancher océanique pendant plus de deux milliards d’années de l’histoire précoce de la Terre, avec un âge allant de ~3,8 à 2,45 Ga et une réapparition à la fin du Protérozoïque, entre 0,8 et 0,5 Ga, pendant une phase de glaciation global (Terre boule de neige) (Klein, 2005 ; Li et al. 2018), les changements de leurs propriétés chimiques, minéralogiques, magnétiques et leurs compositions isotopiques offrent un aperçu unique des changements environnementaux qui ont eu lieu sur la Terre.
Malgré l’importance économique et évolutive exceptionnelle des BIF, leur apparition à des époques clés des changements planétaires et le nombre élevé d’études qui leur sont consacrées, de nombreuses questions concernant leur formation demeurent. Des questions clés telles que l’origine du fer, son oxydation et les mécanismes de dépôt restent un sujet de débat. En outre, bien que plusieurs caractéristiques de premier ordre telles que l’activité des panaches mantelliques, la formation de supercontinents ou les changements de l’état redox de l’atmosphère et des océans aient été invoquées pour expliquer les changements dans le style de dépôt des BIFs au cours de l’Archéen supérieur-Paléoprotérozoïque et du Néoprotérozoïque (Morris 2002 ; Camacho et al., 2017 ; Konhauser et al., 2017 ; Thompson et al., 2019 ; Rego et al., 2021), un modèle complet fait défaut.
Dans ce projet, deux occurrences remarquables de gisements de BIF sont étudiées : les BIFs de l’Archéen supérieur et du Protérozoïque précoce de Carajás et du Protérozoïque supérieur d’Urucum dans le Nord et le Midwest du Brésil, respectivement. Ces BIFs ont été choisis parce que 1) il n’existe pas de modèle de dépôt communément accepté pour le Fe (et le Mn, dans le cas d’Urucum) dans ces dépôts, 2) ils sont particulièrement bien conservés et ont subi une surimpression métamorphique de faible intensité, 3) ils présentent un certain nombre de caractéristiques lithologiques et d’associations minérales qui offrent une occasion unique d’étudier le rôle des organismes photosynthétiques et des bactéries magnétotactiques (MTB) dans la formation des oxydes de fer et 4) ils ont été déposés au début des deux principaux épisodes d’oxygénation atmosphérique et de glaciations globales connus sur Terre (c. à d. la période de l’ère glaciaire). e., le Grand événement d’oxydation, GOE, et l’événement atmosphérique néoprotérozoïque, NOE), et offrent donc un aperçu unique des changements environnementaux et climatiques qui ont eu lieu sur la Terre en évolution, et qui ont finalement conduit au développement des eucaryotes à la fin du Paléoprotérozoïque et à l’explosion cambrienne à la fin du Néoprotérozoïque.
Les formations ferrifères étant composées principalement d’oxydes de fer, l’hématite et la magnétite, qui sont les deux minéraux magnétiques les plus importants, les méthodes magnétiques constituent un excellent outil pour examiner ces minéraux et leurs propriétés. Jusqu’à présent, il n’existe que peu d’études appliquant des méthodes magnétiques aux IF (Schmidt et Clark, 1994 ; Tompkins et Cowan, 2001 ; Sumita et al., 2001 ; Carlut et al., 2015) et la plupart d’entre elles sont axées sur l’analyse de la rémanence et les mesures de l’anisotropie de la susceptibilité magnétique. Cependant, des études récentes ont montré que les variations des propriétés magnétiques des roches peuvent fournir des informations très utiles sur le dépôt et la diagenèse des BIFs (Carlut et al., 2015). Plus précisément, en étudiant les propriétés magnétiques d’une section forée de la formation ferrifère de Boolgeeda, vieille de 2,45 Ga (groupe Hamersley, Australie occidentale), ces auteurs ont montré que le rapport entre l’hématite et la magnétite, la teneur en magnétite et la stœchiométrie de la phase magnétique fournissent des indications importantes sur les conditions environnementales prévalant pendant la formation et la diagenèse précoce des oxydes de fer dans les BIFs. En particulier, la corrélation avec d’autres proxies suivant l’activité des réducteurs de sulfate (isotopes S et C), la dégradation de la matière organique, les flux hydrothermaux et le seuil local d’oxygène (enrichissements en éléments traces et fractionnement isotopique du soufre indépendant de la masse, S-MIF) sont maintenant établis (Philippot et al., 2018 ; Warchola et al., 2018).
L’objectif de ce projet est de développer une approche intégrée combinant des analyses chimiques, cristallographiques, isotopiques et des propriétés magnétiques sur des carottes de forage vierges provenant des districts minéraux de Carajás et Urucum.
Le bassin de Somalie a été étudié en raison de sa position charnière entre plusieurs régimes différents, contrôlés par la mousson et les vents alizés au nord, par la présence de l’upwelling de Somalie dans la partie centrale, et les apports des courants de fond plus au sud. Les concentrations en particules magnétiques mais aussi leur flux sont fortement corrélés aux variations climatiques, avec un accroissement des apports pendant les périodes chaudes (Bouilloux et al., 2013). Nous montrons que cette variabilité climatique de la concentration en magnétite n’est pas contrôlée par l’upwelling mais par les courants d’eaux profondes venant d’Antarctique.
Nous avons étudié l’origine de pics de susceptibilité de grande amplitude dans des sédiments de l’Océan Indien à proximité du Golfe d’Aden lors des 60 derniers millénaires. Le dépôt de magnétite a été relativement constant dans le temps, mais les conditions redox reflétées notamment par la concentration en carbone organique ont entraîné la dissolution de la magnétite en dehors des pics. Les pics reflètent donc des changements dans la productivité de surface et/ou des épisodes de ventilation des eaux profondes en liaison avec les masses d’eau antarctique, conséquences des changements climatiques (Paleoceanography 28-4, 675-687, 2013). Une étude analogue en mer rouge témoigne du même rôle clef joué par le carbone organique sur l’évolution des minéraux magnétiques. Les variations de susceptibilité engendrées par la dissolution de la magnétite sont en phase tant avec les changements glaciaux-interglaciaux à long terme reflétés par l’évolution du delta 18O qu’avec les changements millénaires de type Dansgaard-Oeschger pendant la dernière période glaciaire. Les changements du niveau de la mer également en phase avec la susceptibilité ont contribué à la variabilité de la matière organique par les apports des éléments nutritifs qui pénètrent dans la mer rouge par le Golfe d’Aden. Les changements de productivité engendrés par les vents de mousson qui contrôlent la richesse des eaux intermédiaires ont également joué un rôle. Il reste à déterminer lequel de ces deux facteurs a été prépondérant.
Contact : Julie Carlut, Louise Dauchy (doctorante), Laure Meynadier, Jean-Pierre Valet
1/ l’étude des variations de minéralogie magnétique et de paléo-intensité enregistré dans des carottes de sédiments marins au cours des derniers 35 ka (voir détail ci-dessous)
2/ l’analyse paléomagnétique fine des carottes de la campagne IODP Exp. 397 (https://iodp.tamu.edu/scienceops/expeditions/iberian_margin_paleoclimate.html)
1/ Cette période est sélectionnée car – Elle porte l’enregistrement du dernier passage glaciaire – interglaciaire et – les enregistrements provenant de l’Atlantique Nord (compilation NAPIS) et de l’Atlantique Sud (compilation SAPIS) sont, sur cette période, fortement en désaccord avec un maximum d’intensité sur NAPIS et un minimum sur SAPIS. Au lieu d’ajouter de nouvelles données à la région de l’Atlantique, nous nous sommes tournés vers la région proche équatoriale du Pacifique occidental dans le but d’acquérir une courbe de référence de paléointensité à très haute résolution pour cette région. Les paramètres mesurés dans la carotte sélectionnée (MD01-2385) suggèrent une diminution progressive de la taille des grains, initiée il y a 17 ka, qui correspondrait à l’initiation de la dernière transition glaciaire-interglaciaire. Contrairement à ce que l’on peut trouver dans la littérature, cette carotte présente de faibles pics de susceptibilité lors de l’événement Younger Dryas et du premier stade Heinrich. Un intervalle de susceptibilité élevé indique des grains magnétiques plus grossiers autour de 28 ka associé à un événement volcanique qui a probablement causé une catastrophe écologique locale comme l’a révélé la très forte teneur en fossiles de la couche. Notre nouvel enregistrement de paléointensité quand à lui montre des structures intermédiaires entre SAPIS et NAPIS, avec un décalage progressif dans le temps, du sud vers le nord. Ces résultats étayent l’idée d’une modification de l’apport sédimentaire qui aurait été générée par une réorganisation importante des courants océaniques ainsi qu’un possible retard dans l’acquisition du signal magnétique lors de la transition glaciaire-interglaciaire.
Géodynamique
Lorsque le champ magnétique terrestre est moyenné sur plusieurs milliers d’années, les pôles magnétiques moyens, ou pôles paléomagnétiques, coïncident avec les pôles géographiques. Cette propriété permet de déterminer la paléolatitude et l’orientation des continents à partir des directions d’aimantation enregistrées dans les roches. L’analyse d’un grand nombre d’échantillons est nécessaire pour moyenner les variations à court terme du champ. Les roches anciennes peuvent toutefois avoir acquis des aimantations secondaires, postérieures à leur formation. Des protocoles de laboratoire, comme la désaimantation thermique, ainsi que les méthodes du magnétisme des roches et la pétrologie magnétique permettent d’identifier les minéraux magnétiques, les processus d’acquisition de l’aimantation et de distinguer les aimantations primaire et secondaire. Des tests paléomagnétiques fondés sur la géologie, comme les tests du pli et du contact, permettent ensuite de contraindre l’âge relatif des aimantations et d’isoler l’aimantation primaire utilisée pour calculer les pôles paléomagnétiques.
Les pôles paléomagnétiques sont combinés avec la géologie pour reconstruire la position des différents blocs continentaux. La géologie permet de retracer les épisodes tectoniques majeurs qui se sont produits, tels que les collisions continentales, les ouvertures océaniques et les subductions. À partir de l’ensemble de données et observations, il est possible d’élaborer des modèles d’évolution de la tectonique des plaques qui intègrent le mouvement des continents mais aussi des limites de plaques tectoniques. Ces modèles mettent en évidence un mouvement d’ensemble de la Terre par rapport son axe de rotation, qui est appelé dérive vraie du pôle (ou True Polar Wander en anglais). Ce mouvement résulte du changement de répartition des masses à l’intérieur de la planète qui, à l’échelle des temps géologiques, est dominé par les mouvements liés à la convection mantellique. Le True Polar Wander, tout comme la vitesse du mouvement des continents et leur répartition, sont des témoins de la dynamique des enveloppes profondes, qui ne sont pas directement accessibles. Ces modèles paléogéographiques sont donc cruciaux pour comprendre comment le système lithosphère-manteau convectif a évolué au cours du temps, et pour comprendre le rôle du refroidissement de la planète dans l’évolution de la Terre interne. Enfin, la tectonique des plaques entraîne des changements de la répartition des continents et océans en latitude qui jouent un rôle central dans l’évolution des enveloppes plus superficielles comme la cryosphère, la biosphère et l’atmosphère. Par exemple, les modèles paléogéographiques sont nécessaires pour comprendre l’évolution des climats anciens, l’apparition des grandes glaciations du passé (ex : la Terre boule de neige, il y a environ 700 Ma), mais également les grands bouleversements biologiques comme l’apparition de nouvelles formes de vie à la limite Précambrien-Cambrien, il y a 540 Ma.
Modélisation climatique et des cycles biogéochimiques
Les changements climatiques majeurs de l’histoire de la Terre résultent de l’interaction entre les différentes enveloppes terrestres. Leur compréhension nécessite de reconstruire les évolutions paléogéographiques, car les mouvements des plaques, les variations du relief et du niveau marin modifient la circulation atmosphérique et océanique ainsi que la répartition de l’ensoleillement. Ils influencent également les cycles du carbone, en faisant varier ses sources et ses puits, et donc l’intensité de l’effet de serre. À des échelles de temps plus courtes (10⁴–10⁵ ans), les variations de l’excentricité, de l’obliquité et de la précession de l’orbite terrestre modulent l’ensoleillement et entraînent des variations climatiques cycliques. La modélisation permet d’étudier les mécanismes responsables de ces changements, mais la grande diversité des temps de réponse des enveloppes terrestres constitue un défi majeur. Il est donc nécessaire de coupler des modèles numériques complémentaires, adaptés aux différentes échelles de temps, et de confronter leurs résultats aux données paléoclimatiques et paléoenvironnementales.