Chapitre 1 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

Cours géothermie-eleve– activité autocorrectrice

I/ Étude d’un exemple : Exploitations géothermiques et contextes géodynamiques

TP 22 géothermie et contexte géodynamique

Le Gradient géothermique ou accroissement de la température avec la profondeur varie avec :

• la composition chimique des roches (proportion en éléments radioactifs),
• le contexte géodynamique,
• la convection si présence d’eau.
•  La variation de conductivité thermique (capacité à transférer la chaleur par conduction thermique) des couches sédimentaires.

Il est en moyenne de 31°C/km en France (110°C/km dans le 1^er km en Alsace, mais 12°C/km dans la région de Rennes). Bonté et al, 2010

Le Flux géothermique ou flux de chaleur : Quantité d’énergie évacuée par la Terre, exprimée par unité de surface et par unité de temps.

Le flux moyen est de 65mW.m^-2 à la surface des continents et de 101mW.m^-2 à la surface du plancher des océans soit  87mW.m^-2 pour l’ensemble du globe (Pollack et al, 1993)
Le flux thermique en un point donné est obtenu en multipliant la conductivité thermique et le gradient thermique. Il dépend de la radioactivité des roches et du refroidissement de la chaleur initiale de la terre par cristallisation du noyau terrestre.

Il est variable suivant le contexte géodynamique. Ce flux géothermique est :

– faible sur les continents (30 km d’épaisseur de croûte)

– modéré dans les océans (6 à 8 km de croûte) : le long des dorsales il est le plus fort. L’hydrothermalisme océanique joue un rôle prépondérant dans ce transfert thermique.

– élevé dans les zones volcaniques (200 à 300mW/m²) : dorsales, volcans, points chauds …

– modéré dans certains bassins sédimentaires : en France, il existe deux lieux où l’accumulation de sédiments est importante jusqu’à 3000 m d’épaisseur : dans le Bassin Parisien et dans le Bassin Aquitain. La température peut y atteindre 65 °C.

Ex : Guadeloupe (zone de subduction)

La Réunion (point chaud)

Bassin parisien (bassin sédimentaire)

et dans les régions amincies (rifting et remontée du Moho vers la surface). Ex : cas du fossé Bressan.

On constate que dans ces zones, le Moho est peu profond. Cela signifie que localement il y a une remontée de l’asthénosphère. A 1km de profondeur, la température de l’eau est très chaude alors qu’à Marseille, il faut atteindre 5km de profondeur pour avoir les mêmes températures.

Ainsi dans l’écorce terrestre, la température augmente avec la profondeur suivant un gradient géothermique. Ce gradient est variable d’une région géologique à une autre. L’homme extrait ces fluides pour exploiter cette énergie. L’énergie géothermique chauffe les roches et les fluides qui peuvent y circuler.

L’Homme peut alors réaliser des forages afin d’extraire les fluides présents dans les aquifères (nappes d’eau souterraine) et utiliser cette eau chaude pour le chauffage ou pour produire de l’électricité.

Le volcanisme, les sources d’eau chaude, les geysers… sont autant de manifestations géologiques qui sont la conséquence de l’énergie interne de la Terre.

Le flux géothermique correspond à l’énergie dissipée par la surface terrestre. Il est mesuré en W/m². Cette grandeur mesure la dissipation de la chaleur par le globe. Il dépend du gradient géothermique mais également de la conductivité thermique des roches.

II/  Origine de l’énergie thermique et sa dissipation dans le globe

1- L’origine de l’énergie thermique

La Terre émet 4,2. 1013 Watts à sa surface. Cette chaleur de la Terre provient :

• de la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches (90%) notamment l’uranium 235 et238, le thorium 232 et le potassium 40. Les noyaux de ces atomes sont capables de se fragmenter spontanément (fission nucléaire) et produisent alors un rayonnement et de l’énergie thermique. Cette réaction a lieu dans l’ensemble du globe mais est plus particulièrement active dans la croûte terrestre.
• de la chaleur primitive issue de l’accrétion terrestre (10%)

2- Le transfert de l’énergie thermique dans le globe

L’énergie thermique est propagée par conduction et par convection :

• La conduction est un transfert de chaleur de proche en proche sans déplacement de matière. L’efficacité de ce transfert dépend du gradient géothermique (différence de température) et de la conductivité thermique des roches.
• La convection correspond à un transfert de chaleur par déplacement des matériaux dont la température varie peu. La matière chaude a généralement tendance à s’élever (densité plus faible) alors que la matière froide a tendance à descendre (densité plus forte). Ces échanges de matière ont été identifiés par tomographie sismique (voir 1S) et ont mis en évidence des flux de matière circulaires formant des cellules de convection. Ce transfert d’énergie est très efficace.

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Et une animation pour comprendre la convection et la conduction

3- Vers un modèle global

La tomographie thermique permet d’observer des mouvements ascendants de la matière chaude et solide de grande ampleur au sein du manteau.

Images tomographiques au niveau de l’Amérique centrale (Central America),
Japon (Japan), Égée (Agean) et Tonga. (source cnrs)

La tomographie sismique permet d’établir des « coupes » du globe terrestre grâce à une analyse des vitesses de propagation des ondes sismiques. Les vitesses enregistrées dépendent, notamment, des caractéristiques physiques  du milieu traversé (température, pression).
Sur chaque image, les régions colorées en rouge correspondent aux régions anormalement chaudes, la vitesse des ondes est inférieure à la vitesse « normale ». Les zones colorées en bleu montrent des régions « froides » ; les ondes s’y propagent rapidement.
Ces zones froides correspondent aux plaques océaniques subduites dans la manteau.

NB : ces images semblent indiquer que la plaque plongeante s’enfonce sous la limite 670 km pour atteindre l’interface manteau-noyau (CMB : Core Mantel Boundary).

Schéma bilan des mouvements au sein de la planète Terre (à compléter à l’aide de ce présentation numérique):

Ces panaches mantelliques initiés en profondeur sont associés au magmatisme de point chaud. Ils sont à l’origine d’une dissipation d’énergie thermique par convection. (page 231 de votre livre)

Ainsi, l’activité thermique de la Terre s’inscrit dans le processus de tectonique des plaques. Les conséquences de cette activité interne se manifestent en surface par :

• la production de lithosphère au niveau des remontées de matière dans les zones d’accrétion océanique (dorsales)
• la disparition de plaques lithosphériques couplées aux zones de subduction « froides »
• le couplage entre le mouvement des plaques et les mouvements de convection du manteau sous-jacent.

La chaleur terrestre se dissipe très progressivement. Elle est basée sur la désintégration d’atomes radioactifs dont l’activité perdurera encore plusieurs centaines de millions d’années (renouvelable à l’échelle humaine).

Schéma bilan:

L’ensemble du chapitre en texte à trous auto-correctif.

Pour comprendre la tomographie

Pour approfondir sur la géothermie : vidéos, animations, quiz, documents de terrain : le site du BRGM Géothermie

Pour comprendre la géothermie en vidéo:

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Le coin du professeur

I/ Étude d’exemples

Savoir : L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable d’un endroit à l’autre. Le prélèvement éventuel d’énergie par l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est dissipé.
La température croît avec la profondeur (gradient géothermique) ; un flux thermique atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre (flux géothermique). Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique.

Savoir faire : Exploiter des données extraites des atlas régionaux des ressources géothermales en France, concernant la température des fluides extraits dans ces zones.
Exploiter l’imagerie satellitaire et les cartes de répartition mondiale du flux thermique pour replacer les exploitations actuelles dans le cadre structural : magmatisme de rifting, de subduction ou de points chauds.

II/ origine de l’énergie thermique

Savoir : Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches. Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : la convection et la conduction. Le transfert par convection est beaucoup plus efficace. À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les zones de subduction présentent un flux faible associé au plongement de la lithosphère âgée devenue dense. La Terre est une machine thermique.

Savoir faire: Réaliser des mesures de conduction et de convection à l’aide d’un dispositif ExAO et les traiter avec un tableur informatique. Réaliser et exploiter une modélisation analogique de convection en employant éventuellement des matériaux de viscosité différente. Exploiter les imageries de tomographies sismiques.