Voir les feux du passé grâce au champ magnétique

Sur Terre, nous baignons dans un champ magnétique, le champ magnétique terrestre. Ses lignes de champ nous traversent ainsi que tous les matériaux qui nous entourent. Cette représentation du phénomène physique, fondée sur des lignes de force virtuelles, donc sans existence matérielle, n’est qu’une représentation qui nous permet de le concevoir. Ce champ, ou les lignes de champ qui le représentent, est déformé par la présence de matériaux, interagissant avec lui. Plus ces matériaux ont des propriétés magnétiques intenses ou plus la concentration des minéraux les plus magnétiques est importante, plus la déformation du champ magnétique local sera grande.

Quand le feu chauffe le sol, ou le substrat argileux sur lequel il repose, le fer présent sous forme hydraté (FeOOH) se déshydrate en perdant l’eau intégrée dans la structure minérale. La phase initiale faiblement magnétique se transforme alors en une phase très magnétique (Fe3O4).
Du point de vue chimique, cela pourrait être schématisé par la réaction suivante :

12 FeOOH    →     4 Fe3O4 + 6 H2O + O2,

où le départ d’oxygène (O2), dans la partie droite de la réaction, révèle une réduction partielle du fer ferrique en fer ferreux (12 Fe3+  deviennent 4 Fe2+ et 8 Fe3+).
En se refroidissant, le substrat chauffé enregistre et fossilise ainsi les caractéristiques du champ magnétique ambiant en figeant l’aimantation portée par ces nouvelles phases très magnétiques.  Tout se passe comme si* chaque nouveau grain magnétique correspondait à une boussole microscopique dont l’aiguille suspendue par son centre de gravité pouvait décrire toutes les directions de l’espace (c’est-à-dire n’importe quel point à la surface de la sphère pouvant être décrite par la pointe de l’aiguille). Chaque aiguille s’aligne préférentiellement selon la direction du champ ambiant. Lorsque la température passe en dessous d’une valeur critique comprise entre grosso modo 700 °C et 200 °C, l’aiguille se fige dans sa direction. Elle ne pourrait être libérée que si la température dépasse de nouveau la valeur critique, qui est caractéristique de chaque grain.

L’aimantation du substrat ayant chauffé, ainsi accrue, génère une déformation locale du champ magnétique ambiant. Cette déformation reste modeste : quelques fractions de millième de l’intensité du champ magnétique terrestre. Elle s’atténue aussi fortement en s’écartant de la source. Elle est donc imperceptible avec une boussole, contrairement à un clou ou tout autre élément en métal ferreux qui attire l’aiguille de la boussole. Il faut donc avoir recours à des instruments de sensibilité élevée permettant de mesurer une variation de l’ordre du millionième de l’intensité du champ magnétique terrestre. Le dispositif de mesure mis en œuvre ne doit pas perturber l’environnement magnétique. Il est donc essentiel que celui-ci ne présente pas de pièce en fer métal.
Le faible volume impacté par une source magnétique, analogue aux traces magnétiques laissées par un feu de camp de 20 ou 30 cm de diamètre, ou un feu d’éclairage plus ponctuel, nécessite que l’espace soit exploré en couvrant toute la surface du sol avec une résolution spatiale en adéquation avec la dimension de l’objet recherché. Pour un objet couvrant quelques décimètres carrés, il faut un maillage de quelques centimètres de côté.
Un dispositif original développé au sein du laboratoire LIENSs, permet à la fois de couvrir l’espace de manière régulière, avec une maille de dimension contrôlée, en utilisant un magnétomètre de haute sensibilité aux capteurs dédiés. En quelques heures, un volume de plusieurs m3 peut ainsi être exploré à la recherche de traces magnétiques de feux. La représentation graphique 3D de ces relevés magnétiques permet d’identifier des anomalies montrant une déformation locale du champ attribuable à la trace magnétique d’un feu réalisé dans le passé.