La grille des anomalies de la dérivée première verticale du champ magnétique du Canada illustre les petites variations du champ magnétique de la Terre. La dérivée est calculée à partir de la composante résiduelle du champ magnétique et rehausse la composante de courte longueur d'onde de celui-ci. Le caractère magnétique d'une roche dépend de sa composition, ainsi que de son évolution structurale et métamorphique. Afin d'illustrer graphiquement ces variations, la Commission géologique du Canada recueille des données aéromagnétiques depuis 1947. Avec le temps, plus de 500 levés aéromagnétiques ont été effectués, généralement suivant des lignes de vol espacées de 800 m et à une hauteur de 305 m au-dessus du sol. Tous ces levés aéromagnétiques ont été ramenés à un niveau de référence commun afin de tenir compte des écarts attribuables à des niveaux de référence arbitraires et à des spécifications de levés différentes, ainsi pour de minimiser les effets des lentes variations du champ magnétique terrestre avec le temps. Sur la carte des anomalies magnétiques, il est possible de reconnaître les principales directions structurales des provinces géologiques, la terminaison abrupte des anomalies associées aux limites tectoniques des provinces et les configurations caractéristiques des zones de suture. Il est également possible de distinguer la signature magnétique des roches du socle précambrien qui transparaît au travers des bassins sédimentaires de couverture du Phanérozoïque. De grands essaims de dykes mafiques peuvent être suivis sur des centaines de kilomètres grâce à leur configuration magnétique formée de segments linéaires agencés en un motif radial. La croûte océanique présente une configuration rayée caractéristique reflétant les changements dans la polarité du champ magnétique terrestre qui se produisent à des intervalles de quelques millions d'années.

Cette grille accentue les petites variations du champ magnétique à l'intérieur du Canada, appelées «anomalies de la dérivée première verticale du champ magnétique». Ces variations sont en grande partie attribuables aux variations des propriétés magnétiques de la croûte terrestre. Les données sont tirées des archives de la Base canadienne de données aéromagnétiques que gère la Commission géologique du Canada (CGC) et elles ont été recueillies dans le cadre d'un programme permanent dont l'objet est de représenter graphiquement l'intensité du champ magnétique de la Terre à l'intérieur de la masse continentale du Canada et des régions extracôtières adjacentes. Les cartes aéromagnétiques sont produites à diverses échelles. Elles sont utiles pour la cartographie géologique et sont employées pour la recherche du pétrole, du gaz naturel et des ressources minérales.

Un champ magnétique est produit par la circulation d'un courant électrique. Les orbitales électroniques des atomes créent des moments dipolaires magnétiques. Les molécules peuvent également être des dipôles magnétiques. Un champ magnétique externe peut aligner ces dipôles grâce au processus d'induction magnétique. Le champ secondaire (M), créé par l'alignement des dipôles, accroît le champ magnétisant (H). Le champ secondaire (M) est proportionnel à H et est aligné sur lui dans le cas des champs magnétiques externes faibles, selon la formule M = kH, où k représente la susceptibilité magnétique. Donc, la susceptibilité d'un corps est une mesure du degré auquel le corps pourra devenir magnétisé en présence d'un champ externe. L'unité de mesure de l'induction magnétique est le nanotesla (nT).

Le champ magnétique de la Terre est attribuable à trois sources principales : le champ géomagnétique ou champ du noyau, le champ induit et le champ rémanent. Le champ géomagnétique est généré par l'effet de dynamo des courants électriques qui circulent dans le noyau liquide de la Terre. Il varie lentement au fil du temps, changement qui est appelé «variation séculaire». Le champ magnétique induit est la résultante de l'intensité du champ géomagnétique et de la susceptibilité magnétique des roches sous-jacentes. La susceptibilité magnétique est une propriété physique des matériaux qui reflète la teneur en minéraux magnétiques et le caractère de ceux-ci. La magnétite est la principale phase minérale responsable de la susceptibilité ferromagnétique, bien que la pyrrhotine et quelques minéraux de la série des titano-hématites puissent être importants par endroits. L'aimantation rémanente est aussi une propriété des roches crustales et peut produire un champ magnétique, même en l'absence d'un champ ambiant. Elle enregistre la direction du champ géomagnétique au moment où les minéraux ont été magnétisés, par exemple lors d'un refroidissement ayant amené la température en-deçà du point de Curie. L'intensité de l'aimantation rémanente d'un corps rocheux dépend de la proportion de minéraux ferromagnétiques présents, de l'intensité du champ géomagnétique qui régnait lors de l'apparition de l'aimantation rémanente et de l'évolution géologique de la roche (Sharma, 1978). Généralement, l'aimantation induite est dominante, parce que la rémanence est instable, tendant avec le temps à se réaligner sur le champ induit, et que l'aimantation rémanente est hétérogène. Lors de l'interprétation des anomalies magnétiques dans les régions continentales, il est souvent fait abstraction des effets de l'aimantation rémanente. Dans les régions océaniques, c'est l'aimantation rémanente qui est le facteur le plus important parce que, en termes de temps géologique, la croûte océanique est jeune (moins de 200 millions d'années) et que son refroidissement et sa déformation se sont déroulés suivant un scénario relativement simple.

La composante résiduelle du champ magnétique total est calculée en soustrayant du champ magnétique total observé le Champ géomagnétique international de référence, un modèle du champ géomagnétique qui inclut la variation séculaire et qui varie donc quelque peu d'une année à l'autre. Le résultat obtenu représente la composante du champ total qui est dominée par les effets magnétiques attribuables aux unités lithologiques de la croûte. La carte des anomalies de la composante résiduelle du champ magnétique total est un outil utile pour la cartographie géologique parce qu'elle révèle une des propriétés physiques des roches présentes au sol.

Les levés magnétiques aériens sont effectués suivant des lignes de vol à espacement régulier et à orientation constante, le plus souvent perpendiculaires aux directions géologiques régionales. La CGC accumule des données aéromagnétiques depuis 1947 et possède actuellement des données couvrant plus de 11 millions de kilomètres de lignes de vol. La plus grande partie des données ont été acquises à une hauteur moyenne de 305 m au-dessus du sol, bien qu'en terrain montagneux certains levés ont été réalisés à une altitude barométrique constante (c.-à-d. à une hauteur constante au-dessus du sommet le plus élevé de la région survolée). L'espacement standard des lignes de vol est de 800 m. Dans les régions où il y a des bassins sédimentaires contenant des accumulations de grande épaisseur, l'espacement des lignes de vol est généralement porté à 1 600 m. Dans certaines régions du Canada, particulièrement dans le Bassin de l'Ouest du Canada et dans l'Arctique, les données ont été fournies par des sociétés d'exploration pétrolière et gazière ou par d'autres sources externes à la CGC. Dans ces régions, l'espacement des lignes de vol peut dépasser 6 km. En outre, des levés détaillés à haute résolution ont été réalisés suivant des lignes de vol espacées de 150 à 300 m. Toutefois, pour produire cette carte, les données utilisées proviennent surtout de levés régionaux adjacents.

Au large des côtes, les levés magnétiques sont effectués principalement à bord de navires. Dans ce cas, un magnétomètre est remorqué à une distance suffisante du navire pour que l'effet magnétique de celui-ci soit négligeable. La direction et l'espacement des lignes de levé varient selon les objectifs et peuvent varier également selon les autres mesures qui sont faites en même temps (p. ex. gravimétrie, bathymétrie), mais l'espacement est généralement de l'ordre de 5 à 10 km en eau profonde et moindre au-dessus des plates-formes continentales.

Il est nécessaire de ramener tous les levés aéromagnétiques du Canada à un niveau de référence commun et de les faire correspondre afin de tenir compte des variations séculaires de l'orientation et de l'intensité du champ géomagnétique, des niveaux de référence arbitraires des magnétomètres utilisés autrefois, des variations dans l'espacement et l'orientation des lignes de vol, ainsi que des différences de hauteur de vol et de qualité des données.

La plupart des données acquises avant l'avènement des enregistreurs numériques (fin des années 1970) ont été recueillies sous la forme de profils analogiques et compilées sous la forme de cartes d'isolignes à des échelles de 1/63 360 ou 1/50 000. Une numérisation de ces cartes a été réalisée en sélectionnant comme points de données l'intersection des lignes de vol et des isolignes magnétiques, en attribuant les valeurs obtenues à une grille à maille de 812,8 m et en effectuant un nivellement avec les levés adjacents. Ce projet a commencé vers la fin des années 1970 et a duré presque 10 ans. La mise au même niveau des levés individuels a été faite en soustrayant la valeur du Champ géomagnétique international de référence pour la date et l'altitude du levé de chaque grille. Les limites des levés ont été ajustées les unes aux autres à l'aide d'une fonction polynomiale d'ordre inférieur. Les erreurs restantes ont été lissées là où c'était nécessaire (Teskey et al., 1982). Les données en profils non nivelées ont été archivées levé par levé et l'accumulation de ces données a mené à la création de la Base canadienne de données aéromagnétiques.

Le nivellement des données en profils des levés aéromagnétiques du Canada a été amorcé en 1989 par la Commission géologique de l'Ontario en collaboration avec la CGC. Le projet consistait à réaliser une seule grille maître de données aéromagnétiques à maille uniforme de 200 m pour toute la province de l'Ontario (Reford et al., 1990). Pour ce faire, il était nécessaire de générer à l'aide des données en profils numérisées une nouvelle grille à maille plus serrée et de transférer par la suite la compensation de nivellement qui avait été précédemment appliquée à la grille régionale lors de la première phase du projet. En se servant de la grille existante à maille de 812,8 m, les données ont été traitées à nouveau afin de produire une nouvelle grille pouvant être mise en correspondance avec la grille de données non nivelées à maille de 200 m. Une fois ceci réalisé, la grille de données correspondant aux compensations de nivellement a été soustraite de la grille de données originales, non nivelées, du champ total. Les données en profils des levés numérisés ont été obtenues par interpolation à partir de la grille nivelée à maille de 200 m. Les compensations de nivellement pour les levés à acquisition numérique des données ont été calculées à partir de la grille de compensation et appliquées directement aux données en profils. Par la suite, une procédure similaire a été utilisée pour les données des levés aéromagnétiques des provinces de l'Atlantique, du Manitoba et de la Saskatchewan. La procédure a été modifiée quelque peu pour les levés couvrant le Québec et les Territoires du Nord-Ouest. Pour ces derniers, la compensation de nivellement a été calculée systématiquement à partir de la grille de compensation. La compensation a par la suite été appliquée directement aux données en profils, ce qui a évité de générer de nouveau les données en profils à partir de la grille nivelée.

Des levés à altitude barométrique constante ont été effectués au-dessus des régions montagneuses de l'Ouest canadien et du nord de l'île de Baffin. Afin de relier les données aéromagnétiques issues de ces levés aéromagnétiques effectués à altitude constante aux autres données nivelées provenant de levés à garde au sol constante, les données des levés à altitude constante ont été rapportées par calcul sur une surface moulant le relief à une hauteur de 305 m au-dessus du sol. La méthode utilisée pour rapporter les données sur la surface moulante est basée sur une expansion en série de Taylor du champ magnétique sur la surface de mesure (Pilkington et Roest, 1992). Les données rapportées par calcul sur la surface moulante et les données non nivelées des levés réalisés à garde au sol constante du Manitoba, de la Saskatchewan, de la Colombie-Britannique et du Territoire du Yukon ont été nivelées à l'interne en utilisant le niveau de référence national et ont été enregistrées sous la forme de données en profils dans la Base nationale de données aéromagnétiques. Les données nivelées de la composante résiduelle du champ total résultant de ce traitement sont utilisées pour calculer la grille.

La grille présentée ici figure l'intensité de la dérivée première verticale de la composante résiduelle du champ magnétique total. Elle quantifie le taux de variation du champ magnétique suivant la verticale et est équivalente à ce que l'on obtiendrait en mesurant l'intensité du champ magnétique à l'aide de deux magnétomètres distincts séparés verticalement et en divisant la différence de lecture entre les deux instruments par la distance qui les sépare. Une grille de données magnétiques à maille de 200 m a été convertie dans le domaine des fréquences à l'aide d'une transformation de Fourier rapide. La fonction de transformation de la dérivée verticale a alors été appliquée aux données du domaine des fréquences afin d'accentuer les plus hautes fréquences. Les données ont par la suite été reconverties dans le domaine spatial en utilisant une transformation de Fourier rapide inverse. Ce filtre a pour effet d'éliminer la composante de grande longueur d'onde et de faciliter la résolution des anomalies rapprochées, voire superposées. Ces transformations amplifient également le bruit dans les données ce qui limite l'utilisation de dérivées d'ordre supérieur. La dérivée verticale est souvent employée pour tracer les contacts entre les domaines magnétiques à grande échelle, car sa valeur est de zéro à l'aplomb des contacts verticaux (Hood, 1965).

La grille des anomalies de la dérivée première verticale du champ magnétique fait ressortir la variation des propriétés magnétiques des roches de la croûte terrestre et donne donc une indication de la composition des roches, ainsi que de leur évolution tectonique et métamorphique. Par rapport à la carte de l'intensité du champ magnétique total, la carte de la dérivée verticale met en évidence les sources magnétiques plus proches de la surface. Des valeurs plus élevées de la dérivée verticale sont généralement associées à des roches très magnétiques (par exemple, des roches volcaniques riches en fer), alors que des valeurs plus faibles le sont le plus souvent à des roches avant tout non magnétiques (par exemple, certains types de granites).

Hood, P.J., 1965: Gradient measurements in aeromagnetic surveying. Geophysics, v. 30, p. 891-902.

Pilkington, M. and Roest, W.R. 1992: Draping aeromagnetic data in areas of rugged topography; Journal of Applied Geophysics, v. 29, p. 135-142.

Reford, S.W., Gupta, V.K., Paterson, N.R., Kwan, K.C.H., and MacLeod, I.N. 1990: Ontario master aeromagnetic grid: a blueprint for detailed compilation of magnetic data on a regional scale; in 60th Annual International Meeting, Expanded Abstracts; Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, Oklahoma, p. 617-619.

Sharma, P.V. 1978: Geophysical Methods in Geology; Elsevier North-Holland Inc., New York, 407 p.

Teskey, D.J., Dods, S.D., and Hood, P.J. 1982: Compilation techniques for the 1:1 million magnetic anomaly map series; in Current Research, Part A; Geological Survey of Canada, Paper 82-1A, p.351-358.