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Géosciences Rennes
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Présentation de l’équipe Paléo-Archéomagnétisme

Animatrice : Annick Chauvin
Chercheurs : Guillaume Dupont-Nivet, Philippe Lanos, Pierrick Roperch
Personnel technique : Philippe Cullerier, Philippe Dufresne
Post- Doctorants : Benoit Combès
Collègue sous contrat : Gwenael Hervé, Lucie Garnier
Doctorants : Laurie Bougeois, Wei Yang, Fernando Poblete, Wentao Huang
Master2 : Natalia Klodnicki

L’équipe Paléo- Archéomagnétisme s’appuie sur le service spécialisé de Géosciences-Rennes : Mesure de l’aimantation


La force de l’équipe de Géosciences regroupée autour de ce thème est qu’elle réunit des compétences complémentaires permettant d’étudier le champ magnétique terrestre sur un large spectre temporel, allant des temps géologiques (paléomagnétisme) aux périodes préhistoriques et historiques (archéomagnétisme). Peu d’équipes en France ont une telle potentialité.

L’ originalité de la recherche conduite par cette équipe réside d’une part dans sa volonté d’étudier non seulement le comportement passé du champ magnétique mais aussi les relatons entre les variations du champ géomagnétique et d’autres événements géophysiques et d’autre part d’utiliser l’aimantation des roches ou des terres cuites comme outil de datations (en archéosciences et en paléoenvironnement) ou comme "marqueurs" de certains événements tectoniques,

Thèmes de recherche Notre activité de recherche fà»t centrée autour de quatre aspects : l’apport du paléomagnétisme au géomagnétisme, l’apport du paléomagnétisme àla compréhension de processus géologiques, l’aimantation comme outil de datation et enfin des développements méthodologiques.

1-Comportement du champ géomagnétique dans le passé. Il s’agit de retrouver la variation séculaire (en direction et en intensité) du champ à différentes échelles de temps. Sur la période historique, nous avons travaillé sur l’Europe de l’Ouest. Dans le cadre de la thèse de Miriam Gomez-Paccard, nous avons élaboré la première courbe de référence directionnelle pour la péninsule ibérique (Gomez-Paccard et al. 2006a,b,c) ainsi qu’une courbe de référence des variations d’intensité pour l’Europe de l’Ouest (Gomez-Paccard et al. 2008). Sur cette même période historique, nous avons contribué àl’élaboration d’un modèle régional des variations du champ géomagnétique (Pavon-Carrasco et al., 2008) ainsi que sur la courbe de référence des variations directionnelle pour l’Autriche (Schnepp et al.2006. Quelques acquisitions de données plus ponctuelles ont été réalisées en Allemagne (Schnepp et al., 2009) et en Italie (Hill et al., 2007, 2008). Enfin dans le cadre du GdRE "Terres cuites architecturales" nous travaillons conjointement avec des spécialistes du 14C et de la Thermoluminescence sur une quinzaine de monuments emblématiques du haut Moyen-Age en France. Les premières données de paléointensité acquises sur des briques datées de ces monuments sont en cours de publication (Sapin et al., 2008), elles permettent de mieux cerner la forte croissance du champ autour de 800 AD (Figure 1).

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Fig. 1 Datation de l’église Notre Dame Sous-terre, Mont St Michel par la TL (Sapin et al., 2008) etcourbe bayesienne des variations d’intensité en Europe de l’Ouest (Gomez-Paccard et al., 1008)

Sur la période préhistorique, dans le cadre de la thèse de Gwenael Hervé nous travaillons depuis fin 2008, sur quelques uns des plus grands sites préhistoriques en France (Vix, Bibracte et Lattes).

Enfin dans le but de combler les lacunes dans la connaissance de la variation séculaire dans l’hémisphère Sud (seuls environ 15% de données disponibles sur le derniers millélaires proviennent de cet hémisphère) nous avons entrepris depuis 2009 des travaux paléomagnétiques et archéomagnétiques sur des formations volcaniques et des sites archéologiques datés entre 4000 et 500 BP en Equateur et au Chili. Les résultats les plus intéressants pour le moment proviennent de "coulées" (ou flux) pyroclastiques datées par 14C que nous avons prélevés sur le volcan Tungurahua. Des fragments de lave juvéniles de taille décimétrique àpluri décimétriques ont pu être carottés et orientés dans la plupart des cas. Sur le site test de la coulée pyroclastique de 2006, il est possible de démontrer que les éléments juvéniles se refroidissent et passent le point de Curie lorsque le matériel est en place sans enregistrer de mouvements postérieurs. Les désaimantations en laboratoire montrent que tous les clastes juvéniles enregistrent une aimantation rémanente stable et fidèle au champ magnétique terrestre. Jusqu’ici peu utilisé, ce type de matériel ouvre donc un nouveau champ de possibilité d’étude.

2- L’apport du paléomagnétisme àla compréhension de processus géologiques : Vitesse de déformation et de surrection dans une chaîne de montagne. En collaboration avec P. Cobbold, nous avons publié une restauration en carte de l’évolution de la déformation dans les Andes Centrales prenant en compte les raccourcissements et les rotations tectoniques observées (Arriagada et al., 2008). Notre interprétation des données paléomagnétiques est en faveur d !une première phase de déformation dans les Andes dès la fin de l’Eocène et pendant l’Oligocène (Figure 2). Cette interprétation sous-entend des paléoreliefs importants dès le début du Miocène et un soulèvement progressif des Andes Centrales, contrairement au modèle de soulèvement rapide entre 9 et 5 Ma proposé par Garzione et al. (2008) à partir de données de paléotempératures. Nos résultats sont en accord avec les travaux de Elhers et Poulsen (2009) qui montrent que les paléoclimats dans les Andes sont contrôlés par le développement des reliefs. Il apparaît que les paléotempératures estimées par les isotopes de l’oxygène ne permettent pas de déterminer simplement la paléoaltitude àpartir de la relation établie entre la température et l’altitude observées aujourd’hui.

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Fig. 2 : a) Comparaison des rotations observées par les résultats paléomagnétiques avec les rotations prises en compte dans les modèles de restauration (Arriagada et al., 2008). b) Champ de déplacement des blocs lors de la restauration. Ce modèle, le plus compatible avec les rotations observées, implique des raccourcissements importants >400km au centre de l’orocline.

Au cours de ces deux dernières années, nous avons travaillé principalement au niveau de la déflection d’Abancay. 94 sites ont été étudiés (deux articles sont soumis). Le premier article porte sur l’utilisation de l !anisotropie de susceptibilité magnétique pour contraindre les corrections de pendage en paléomagnétisme grâce aux linéations magnétiques qui peuvent être utilisées comme un « proxi  » d !axe de plis. Les données de rotations tectoniques (jusqu’à50° en antihoraire) sont discutées dans un deuxième article.

3- L’aimantation comme outil de datation : Archéomagnétisme et Modélisation chronologique. Notre activité en datation archéomagnétique est soutenue par l’UMR IRAMAT (via le CRPAA). Elle n’est pas conçue comme une simple prestation mais s’intègre dans des programmes de recherche menés avec les archéologiques. Les applications vont vers les ateliers d’artisans potiers et vers les terres cuites architecturales des périodes récentes pour lesquelles nous avons des courbes d’étalonnage de l’inclinaison et de la déclinaison du champ magnétique. Nous sommes arrivés en pointe des questions de traitement des données chronométriques en archéologie et en paléoenvironnements, grâce au développement d’outils de modélisation chronologique nouveaux qui reposent sur les concepts de la statistique bayésienne. Ces outils sont utilisés àla fois pour construire les courbes de références et en retour pour dater les sites archéomagnétiques (Fig 3). Nous finalisons notre travail àtravers la production de logiciels pour le calcul des dates et des courbes de calibration archéomagnétiques.

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Fig. 3 Outil bayesien de datation du matériel archéomagnétique

4- Développement méthodologique
- Mise en place de flux pyroclastiques Après avoir publié une étude de deux vastes ignimbrites dans le sud du Pérou (Paquereau et al., 2008), nous avons poursuivi la détermination des conditions de mise en place (température, altération) par une étude détaillée des aimantations rémanentes portées par les clastes lithiques d !une de ces ignimbrites (Master 2 M.  Chatton). Les résultats confirment une mise place àdes températures en général supérieures à650°C, suggérant que l’aimantation portée est bien une aimantation thermorémanente, fidèle au champ ancien.

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Fig. 4 Anisotropie de susceptibilité magnétique dans l’ignimbrite d’Arequipa (Arequipa Airport Ignimbrite, Pérou). La fabrique magnétique montre une forte imbrication avec des plans de foliation inclinés de 10 à40° vers la source située sous le volcan Chachani. La bonne corrélation avec le relief montre que la pente est le principal facteur contrôlant l’acquisition de la fabrique magnétique.

- Paléomagnétisme et métallogénie En dehors de cet aspect de paléomagnétisme appliqué àla tectonique, deux articles, publiés dans Minéralium Deposita, montrent qu’une information paléomagnétiqueintéressante peut être extraite des roches minéralisées des gisements de cuivre. L’observation des deux polarités magnétiques dans le gisement d’El Teniente indique des processus de minéralisation brefs et spatialement répartis dans le gisement (Figure 5)

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Fig. 5 Gisement de cuivre de El Teniente où les minéralisations se produisent il y a environ 5 Ma. Les deux polarités magnétiques (cercles pleins : inclinaisons positives) ont été identifiées sur les roches minéralisées. La variation spatiale des polarités magnétiques peut être le résultat de plusieurs périodes de minéralisations indépendantes, de faible durée (<100ka) et distribuées spatialement dans le gisement (Astudillo et al., 2009).


Animation scientifique :

Les 31 mai et 1er juin 2010 elle a organisé le premier colloque réunissant les paléomagnéticiens et spécialistes du magnétisme des roches en France qui a réuni 45 participants français, provenant de 17 laboratoires nationaux différents ainsi que deux collègues étrangers, rattachés àla "Southern Illinois University" et l’Université d’Utrech au Pays-Bas.

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En 2005 elle avait également organisée une table ronde dans le cadre du programme Européen " Archaeomagnetic Applications for the Rescue of Cultural Heritage" (AARCH) "Table ronde AARCH"


Publications : 2006-2010

Articles de rang A  :

1- Arriagada C., P. Roperch, C. Mpodozis, P. R. Cobbold , Paleogene building of the Bolivian Orocline : Tectonic restoration of the central Andes in 2-D map view, Tectonics, 27, TC6014, doi:10.1029/2008TC002269. 2008.
2- Arriagada, C., P. R. Cobbold, and P. Roperch, Salar de Atacama basin : A record of compressional tectonics in the central Andes since the mid-Cretaceous, Tectonics, 25, TC1008, doi:10.1029/2004TC001770, 2006.
3- Arriagada, C., P. Roperch, C. Mpodozis, and R. Fernandez, Paleomagnetism and tectonics of the southern Atacama Desert region (25-28ºS) Northern Chile., Tectonics, 25, TC4001, doi:10.1029/2005TC001923. 2006.
4- Astudillo, N. P. Roperch, B. Townley, C. Arriagada and V. Maksaev Importance of small-block rotations in damage zones along transcurrent faults. Evidence from the Chuquicamata open pit, Northern Chile Tectonophysics, 450,1-20. 2008
5- Astudillo, N. P. Roperch, B. Townley, C. Arriagada and A. Chauvin, Magnetic polarity zonation within the El Teniente copper-molybdenum porphyry deposit, central Chile, Mineralium Deposita, DOI 10.1007/s00126-009-0256-0, 2009.
6- Catanzariti, G, McIntosh, G, Gomez-Paccard, M, Ruiz-Martinez, VC, Osete, ML, Chauvin, A and the AARCH scientific team, Quality control of archaeomagnetic determination using a modern kiln with a complex NRM, Physics and Chemistry of the Earth 33, 427–437, 2008
7- Catanzariti, G., McIntosh, G., Osete, M.L., Nakamura, T., Rakowski, A.Z., González, I. Ramiréz, Lanos, Ph., A comparison of radiocarbon and archaeomagnetic dating from an archaeological site in Spain. Radiocarbon, Vol. 49 (2), p. 543-550, 2007.
8- Cobbold, PR, Rossello, E., Roperch, P., Arriagada, C., Gómez L., Lima, C. Distribution, timing, and causes of Andean deformation across South America Geological Society, London, Special Publications ; v. 272 ; p. 321-343 ; DOI : 0.1144/GSL.SP.2007.272.01.17, 2007.
9- Creixell C., MA Parada, D. Morata, P. Roperch and C.Arriagada The genetic relationship between mafic dike swarms and plutonic reservoirs in the mesozoic of central chile (30°–33°45S) : insights from AMS and geochemistry, International Journal of Earth Sciences, online doi : 10.1007/s00531-007-0240-9 2008.
10- Creixell, C., M.à . Parada, P. Roperch, D. Morata, C. Arriagada, and C. Perez de Arce, Syntectonic emplacement of the Middle Jurassic Concón Mafic Dyke Swarm, Coastal Range, central Chile (33º S), Tectonophysics 425, 101–122. 2006.
11- De Marco E., V. Spatharas, M. Gomez-Paccard, A. Chauvin and D. Kondopoulou New archaeointensity results from archaeological sites and variation of the geomagnetic field intensity for the last 7 millennia in Greece, Physics and Chemistry of the Earth 33 578–595, 2008
12- Gaudin L., Marguerie D. and Lanos Ph., Correlation between spatial distributions of pollen data, archaeological records and physical parameters from north-western France - a GIS and numerical analysis approach, Vegetation History and Archaeobotany, 17, p. 585-595, 2008.
13- Gómez-Paccard M., A. Chauvin, Ph. Lanos, J. Thiriot, P. Jiménez Castillo, Archeomagnetic study of seven contemporaneous kilns from Murcia (Spain), Phys. Earth Planet. Int., 157, 16-32, 2006a
14- Gomez-Paccard M., A. Chauvin , Ph. Lanos , J. Thiriot, New archeointensity data from Spain and the geomagnetic dipole moment in western Europe over the past 2000 years, Journal of Geophysical Research, vol 113, B09103, doi:10.1029/2008JB005582, 2008
15- Gómez-Paccard M., Catanzariti G., Ruiz-Martínez V.C., McIntosh G., Nuñez J.I., Osete M.L., Chauvin A. , Lanos Ph., Tarling D.H., Bernal-Casasola D., Thiriot J. , A catalogue of Spanish archeomagnetic data, Geophysical journal International, 166, 1125-1143, 2006b
16- Gómez-Paccard, M., A. Chauvin, Ph. Lanos, G. McIntosh, M. L. Osete, G. Catanzariti, V. C. Ruiz-Martínez, and J. I. Núñez, First archaeomagnetic secular variation curve for the Iberian Peninsula : Comparison with other data from western Europe and with global geomagnetic field models, Geochem. Geophys. Geosyst., 7, Q12001, doi:10.1029/2006GC001476, 2006c.
17- Hill M., Ph. Lanos, A. Chauvin, D. Vitali and F. Laubenheimer, An Archaeomagnetic Investigation of a Roman Amphorae Workshop in Albinia (Italy), Geophys. J. Int., 169, 471–482, DOI : 10.1111/J.1365-246X.2007.03362, 2007.
18- Hill M., Lanos Ph., Denti M. and Dufresne Ph., Archaeomagnetic investigation of bricks from the VIIth century BC greek site of Incoronata (Metaponto, Italy), Physics and Chemistry of the Earth, 33, p.523-533, 2008. 19- Kovacheva M., A. Chauvin, N. Jordanova, P. Lanos, and V. Karloukovski Remanence anisotropy effect on the palaeointensity results obtained from various archaeological materials, excluding pottery, Earth Planets Space, 61, 711–732, 2009
20- Paquereau, P., M. Fornari, P. Roperch, J.-C. Thouret, O. Macedo, Paleomagnetism, magnetic fabric, and 40Ar/39Ar dating of Pliocene and Quaternary ignimbrites in the Arequipa area, southern Peru, (2008) Bulletin of Volcanology. 70, 977-997 doi:10.1007/s00445-007-0181-y 2008.
21- Pavon-Carrasco F.J., Osete M.L., Torta J.M., Gaya-Piqué L.R. and Lanos Ph, SCHA.DI.00 model : regional archaeomagnetic model for Europe for the last 2000 years, Physics and Chemistry of the Earth, 33, p. 596-608, 2008.
22- Roperch, P., T. Sempéré, O. Macedo Sanchez, C. Arriagada, M. Fornari, C. Tapia, M. Garcia, and C. Laj, Counterclockwise rotation of Late Eocene – Oligocene forearc deposits in southern Peru and its significance for oroclinal bending in the Central Andes Tectonics, 25, TC3010, doi:10.1029/2005TC001882. 2006.
23- Roperch P., Carlotto V. and A. Chauvin, Using Anisotropy of Magnetic Susceptibility to better constrain the fold test in paleomagnetism. A case study from Southern Peru ; sous presse, Tectonics., 2010
24- Schnepp E. and Lanos Ph., A preliminary secular variation curve for archaeomagnetic dating in Austria, Geophysical Journal International, 166, 91-96, 2006.
25- Schnepp, E., Ph. Lanos, and A. Chauvin, Geomagnetic paleointensity between 1300 and 1750 A.D. derived from a bread oven floor sequence in Lübeck, Germany, Geochem. Geophys. Geosyst.,10, Q08003, doi:10.1029/2009GC002470, 2009
26- Sempere, T. A. Hartley, P. Roperch, Comment on "Rapid Uplift of the Altiplano Revealed Through 13C-18O Bonds in Paleosol Carbonates", Science,Vol. 314. no. 5800, p. 760, DOI : 10.1126/science.1132837, 2006
27- Taylor, G.K. and P. Roperch, A comment on “Palaeomagnetic study of Lower Jurassic marine strata from the Neuquén Basin, Argentina : A new Jurassic apparent polar wander path for South America†by Iglesia Llanos, M.P., Riccardi, A.C. and Singer, S.E. Earth and Planetary Science Letters, 265, Issues 1-2, 312-315, 2008.
28- Tema E., I. Hedley, Ph Lanos, 2006. Archaeomagnetism in Italy : A compilation of data including new results and a preliminary Italian Secular Variation curve, Geophysical Journal International, 167, 1160-1171, 2006.
29- Townley, B., P. Roperch, V. Oliveros, Tassara, A. and Arriagada, C. Hydrothermal Alteration and Magnetic Properties of Rocks in the Carolina de Michilla Stratabound Copper District, Northern Chile. Minerallium Deposita, DOI : 10.1007/s00126-007-0134-6, 2007.
30- Zananiri I., C.M. Batt, Ph. Lanos, D.H. Tarling, P. Linford, Archaeomagnetic secular variation in the UK during the past 4000 years and its application to archaeomagnetic dating. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 160, 97-107, 2007.

Articles avec comité de lecture (non A) Sapin C, M. Baylé, S. Büttner, P. Guibert, S. Blain, P. Lanos, A. Chauvin, P. Dufresne, C. Oberlin, Archéologies du Bâti et archéométrie au Mont-Saoint-Michel, nouvelles approches de Notre-Dame-Sous-Terre, Archéologie Médiévale, tome 38, CNRS Edition, 2008
Denti M. et Lanos Ph., Rouges, non rougies, les briques de l’Incoronata et le problème de l’interprétation des dépôts de céramique, MEFRA : Mélanges de l’École Française de Rome. Antiquité, 119/2, p. 445-481, 2007.

Articles sans comité de lecture : Guibert P., Blain S., Baylé M., Sapin Ch., Lanos Ph., Vieillevigne E., Dufresne Ph., Chauvin A., Büttner S., Les terres cuites architecturales comme sources d’information chronologique et technique pour l’histoire de la construction de bâtiments pré-romans, Actes du colloque Medieval Europe, Paris, septembre 2007.
Lanos Ph., Calculs de datation, in : Les fouilles gallo-romaines d’Auterive (Haute-Garonne), étude des couches les plus récentes, Louis Latour, Mémoires de la Société Archéologique du Midi de la France, t. LXVI, p. 67-68, 2006.

Chapitres d’ouvrages : Cassen S., Lanos Ph., Dufresne Ph., Oberlin Ch., Delqué-Kolic E. et Le Goffic M., 2008. Datations sur site (Tables des Marchands, alignement du Grand Menhir, Er Grah) et modélisation chronologique du néolithique morbihannais. in : Autour de la Table, explorations archéologiques et discours savants sur une architecture restaurée àLocmariaquer, Morbihan (Table des Marchands et Grand Menhir), Actes du colloque international organisé àVannes du 5 au 7 octobre 2007, sous la dir. de S. Cassen, éd. PUR, 2008

Thèse : Gómez-Paccard, M, Titre de la thèse : Etude de la variation de la direction et de l’intensité du champ géomagnétique en Espagne durant les deux derniers millénaires, Mémoire de Géosciences, Date de soutenance : 10 mars 2006.

HDR : HDR de Philippe Lanos soutenue le 23 janvier 2009 sur le sujet : « Archéomagnétisme et modélisation chronologique : recherches méthodologiques et implications archéologiques  »

Principales collaborations scientifiques : Au sein de Géosciences -Rennes : Equipes T3, Déformation subtile, Systèmes tectonique France : IRAMAT/CRPAA Bordeaux 3, OSU Clermont-Ferrand, UMR Dijon, UMR 5138 Lyon, UMR 6572 Aix en Provence, IRD Orléans, LMTG Toulouse Etranger : Universités de Catane, Milan, Durham, Barcelone, Madrid, Gottinghen, Leoben, Université du Chili, UNAM Mexico, Université de Californie et du Wisconsin