Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Lors d'un tremblement de terre, les transformations physiques et chimiques qui surviennent le long d'une zone de glissement vont conduire à l'altération et à la formation de minéraux. La gouge contient des minéraux magnétiques, qui peuvent être formés sous l'action combinée de la chaleur frictionnelle et par l'action chimique en relation avec les fluides. Ainsi, la gouge a la capacité de se comporter comme un enregistreur magnétique pendant un tremblement de terre. Il s'agit là d'une nouvelle méthode pour identifier les zones de tremblements de terre de glissement. En outre,les minéraux magnétiques initiaux, altérés, et néoformés peuvent être utilisés comme traceurs de certains processus physico chimique.Dans cette étude, nous étudions le magnétisme des roches et l'enregistrement paléomagnétique de la gouge de faille active de Chelungpu qui héberge, entre autres,la zone de glissement principale du tremblement de terre de Chi-Chi (Mw 7.6, 1999,Taiwan). Nous avons bénéficié pour cette étude d'échantillons non altérés provenant des carottes du forage B Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project (TCDP). Nous avons également échantillonné la faille de Chelungpu à l'affleurement pour une caractérisation des nanoparticules. Cette caractérisation vise à estimer l'énergie de fracture dans la gouge de faille. / During an earthquake, the physical and the chemical transformations along a slip zone lead to alteration and formation of minerals within the gouge layer of a mature fault zone. The gouge contains magnetic minerals, which could be formed under the combined action of friction heat and fluid. Thus, gouge has the capacity to behave as a magnetic recorder during an earthquake. This constitutes a conceivable way to identify earthquakes slip zones. Besides, altered and neoformed magnetic minerals can be used as tracers of some earthquake processes. In this study, we investigate the rock magnetism and paleomagnetism of the Chelungpu fault gouge that hosts the principal slip zone of the Chi-Chi earthquake (Mw 7.6, 1999, Taiwan) using Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project (TCDP) hole-B core samples. We also took a Chelungpu fault outcrop sample for identification of nanoparticle, which associated with fracture energy estimation in fault gouge.

Le champ magnétique terrestre présente une vaste gamme de variations temporelles, de l'année à plusieurs millions d'années. J'ai étudié au cours de ma thèse divers aspects de ces fluctuations, des variations séculaires récentes aux renversements.La première partie de ma thèse porte sur l'archéomagnétisme, discipline qui permet de retracer l'évolution temporelle du champ magnétique terrestre au cours des derniers millénaires, principalement à partir des matériaux archéologiques. J'ai étudié deux jeux d'échantillons provenant pour l'un de la Grèce (période néolithique, 6800-3200 avant J.C.) et pour l'autre du Mexique (Palenque, période Maya Classique 320-840 après J.C.), dans le but d'acquérir de nouvelles données d'archéointensité et de mieux contraindre la variation séculaire du champ magnétique terrestre. La comparaison de mes données avec celles disponibles dans la bibliographie et avec les différents modèles globaux et régionaux a mis en évidence que les variations séculaires au Néolithique en Grèce et au cours du premier millénaire en Amérique Centrale sont très mal définies. Mes données suggèrent que des composantes locales, non prisent en compte dans les modèles globaux peuvent exister au niveau ces régions. Elles renforcent l'intérêt de développer des modèles régionaux précis, qui nécessitent un développement en harmoniques sphériques à un degré plus élevé. Pour ce faire, l'acquisition de nouvelles données de haute qualité est un élément majeur.La deuxième partie traite de la description d'un renversement du champ magnétique terrestre. Cette étude a été basée sur deux points précis: étudier les directions transitionnelles afin d'apporter de nouvelles contraintes sur le possible confinement longitudinal des pôles géomagnétiques virtuels (PGV) d'une part, et d'autre part vérifier des paléointensités transitionnelles obtenues sur la séquence volcanique d'Akaroa (Nouvelle Zélande), dont l'intensité est significativement supérieure à celles des intensités avant et après le renversement. Nous avons ré-échantillonné cette séquence, et l'évolution directionnelle obtenue pour ce renversement est une succession complexe de polarités N-T-R-T-N-T-R. Les PGV obtenus semblent se regrouper sous deux bandes longitudinales sous l'Australie et l'Amérique, ce qui renforce l'hypothèse d'une interaction entre le manteau et le noyau sur plusieurs millions d'années. Suite à une étude de minéralogie magnétique, j'ai sélectionné les échantillons susceptibles de fournir une valeur de paléointensité par les méthodes de Thellier et du multispecimen. Les paléointensités obtenues sont relativement faibles (environ 20 microT) au cours du changement de polarité et forte à la fin de la séquence. Mon interprétation, basée à la fois sur les valeurs de l'intensité du champ et sur les données radiochronologiques montrant que la séquence s'est mise en place très rapidement, est de considérer que seul le renversement C4Ar.1n-C4Ar.1r a été enregistré dans cette séquence. Dans cette hypothèse, le renversement montre un cheminement complexe comparable à d'autres renversements enregistrés dans l'hémisphère nord (Steens Mountain par exemple), incluant un phénomène de rebond avant de se stabiliser. La troisième partie de ma thèse est consacrée au développement d'une nouvelle méthodologie et d'un nouvel appareillage pour déterminer des paléointensités. Le faible taux de réussite des expériences de paléointensité de l'étude précédente m'a poussé à m'intéresser au protocole multispecimen, qui peut s'appliquer aux échantillons possédant un comportement polydomaine. L'inconvénient technique majeur de cette méthode réside dans l'application du champ le long de l'aimantation naturelle, difficile à réaliser avec précision dans les fours standards. Pour ce faire, nous avons décidé de développer des porte-échantillons permettant d'orienter les échantillons dans l'espace pour le four standard et un prototype de four à chauffage ultra-rapide particulièrement bie / The Earth's magnetic field shows a large range of temporal variations from the year to several million years. I studied during my PhD thesis several aspects of these fluctuations, from recent secular variations to reversals.The first part of my manuscript deals with archeomagnetism, a discipline that allows to track the temporal variations of the Earth's magnetic field through millennia, mainly from archeological materials. I studied two sets of samples, one from Greece (Neolithic period 6800-3200 B.C.) and the other from Mexico (Palenque, Maya Classic period 320-840 A.D.), to acquire new archeointensity data in order to better constrain the secular variation of the geomagnetic field. By comparing my data with those available in the literature and with the various global and regional models, I showed that the secular variations during the Neolithic in Greece and during the first millennium in Central America are poorly defined. My data suggest that local components, not described by global models, may exist in these regions. They reinforce the importance of developing specific regional models, which require development in higher spherical harmonic degree. As a consequence, the acquisition of new high quality data is of main importance. The second part presents the description of a geomagnetic field reversal. This work was based on two points: first by studying transitional directions to provide new constraints on the possible preferred longitudinal paths of virtual geomagnetic poles (VGPs) and second by checking transitional paleointensities obtained on a volcanic sequence in Akaroa volcano (New Zealand). Indeed the transitional field intensity is significantly higher than the field intensity before and after the reversal. We re-sampled this sequence, and the directional results show a complex sequence of N-T-R-T-N-T-R polarity. The transitional VGPs obtained are clustered in two longitudinal bands through Australia and America. This observation seems to reinforce the assumption of a core-mantle interaction over several million years. Following a rock magnetic study, I selected samples that could provide a value for the Thellier and multispecimen paleointensity methods. The obtained paleointensity are relatively low (about 20 microT) during the polarity change and strong at the end of the sequence.Based both on the field strength values and on the radiochronological ages, showing that the sequence was erupted in a very short time, I suggest that only the C4Ar.1n-C4Ar.1r reversal was recorded in this sequence. In this assumption, the reversal shows a complex path comparable to other reversals recorded in the northern hemisphere (for example the Steens Mountain), including a rebound before stabilizing.Finally the last part is devoted to the development of a new methodology and a new apparatus to determine absolute paleointensity. Following the low success rate of paleointensity experiments from the previous study, I decided to test the multispecimen protocol, which can be applied to samples yielding a predominant multidomaine behavior. The main technical drawback of this method lies in the application of the laboratory field along the natural remanent magnetization, a difficult task to perform accurately in standard paleointensity ovens. Thus, we decided to adapt sample holders from our standard oven in order to allow the sample orientation in space and to develop an ultra-fast heating oven prototype particularly well-suited for this method, allowing to apply the laboratory field in the 3 dimensions. I checked the different multispecimen protocols on historical lavas from Reunion and Etna volcano, yielding very different magnetic mineralogies. For all flows, I obtained paleointensities very close from the expected values, regardless from the magnetic mineralogy, revealing the feasibility of our apparatus and the promising interest of the method. The application of various corrections on the statistical estimation o

L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 µT/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique. / Imaging weak magnetic fields at the nanoscale is a challenge for many field of reasearch, and for a wide range of applications, such as in material science, for the magnetic storage of the information, or in quantum optics with the opportunity to control a single spin used as a quantum bit, or in biophysics where magnetic resonance can enable structural imaging of a protein. In that context, this thesis describes the realisation of a scanning probe magnetometer based on the electron spin resonance of a single NV colour centre in diamond. Such a magnetometer provides unprecedented properties, consisting of a sub-nanometric spatial resolution, given by the effective atomic size of the defect, combined with a high sensitivity (< 1 µT/Hz^(-1/2)), even at room temperature. Moreover magnetic field ca be measured quantitatively, with no perturbation induced, which is a major asset comparing to what can be done using the usual magnetic force microscopy technique. We will first describe the realisation of the magnetic probe, consisting of a single NV colour centre in a diamond nanocristal, grafted at the apex of an AFM tip. Properties of this magnetometer will be then characterized by imaging the stray field generated by a magnetic hard disk. Different imaging techniques will be presented, and compared during this study. Finally, magnetic vortex in patterned ferromagnetic thin film will be imaged, especially the vortex core, which is known to be one of the smallest object of micromagnetism. The exceptional properties of NV based magnetometry, demonstrated in ths work, might enable various applications in nanomagnetisms and spintronics.