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(Thème 2 Enjeux planétaires contemporains)
C 5 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
Idées principales :
Flux et gradient géothermique ; ils dépendent du contexte géodynamique
La désintégration d’éléments radioactifs, source du flux géothermique
Le transfert thermique vers la surface se fait par convection et par conduction
Mise en place de la convection mantellique, schéma du fonctionnement global de la planète
Plusieurs types de géothermie utilisés par l’Homme ; localisation des installations industrielles utilisant
la géothermie et contextes géodynamiques
I. Gradient et du flux géothermiques.
Les geysers projettent par intermittence un fluide à plus de 200 °C jusqu’à une hauteur de plusieurs
dizaines de mètres ; ce sont les manifestations les plus spectaculaires de l’existence d’une énergie
interne. Les sources thermales ainsi que les températures importantes régnant au fond des mines
(charbon, potasse) sont autant d’autres indices.
Le gradient et le flux géothermique mesurent la libération de l’énergie terrestre :
A. La température croît avec la profondeur : gradient
géothermique
Le gradient géothermique moyen (mondial) est d’environ
30 °C pour 1 km. Il existe de grosses disparités
géographiques entre des zones à fort gradient
géothermique et des zones à très faible gradient.
Un gradient géothermique moyen de 30°C/km a été
déterminé pour la croûte continentale. Ce gradient moyen
n’est pas le même en fonction des contextes
géodynamiques.
Dans la plaine d’Alsace, le gradient est supérieur au
gradient moyen : 50 à 60°C/km.
En Guadeloupe, au Japon et en Islande, le gradient est
proche de 100 à 200°C/km.
L’Alsace (fossé d’effondrement) et l’Islande (dorsale)
correspondent à un contexte de divergence avec une
remontée du Moho. Ces sites présentent un gradient
plus fort que le gradient moyen. Au niveau du Japon et
de la Guadeloupe, se situent en contexte géodynamique
de convergence. Dans ces sites, on se trouve au niveau
de zones de subduction avec un volcanisme associé.
C’est ce volcanisme associé à la subduction
qui est à l’origine d’un gradient géothermique
plus fort que le gradient moyen.
- il est élevé dans la lithosphère ce qui montre
une mauvaise dissipation de la chaleur
- il est plus faible dans l'asthénosphère et le
manteau inférieur (et dans le noyau externe)
ce qui montre une meilleure dissipation de la
chaleur
B. Le flux thermique, une dissipation d’énergie issue des profondeurs de la Terre
Les mécanismes de transfert d’énergie aboutissent à l’existence d’un flux géothermique en surface.
Le flux géothermique correspond à une certaine quantité d’énergie libérée à la surface du globe ; il
s’exprime en W/m–2 ou J.s-1.m-2
Flux géothermique : quantité de chaleur traversant une unité de surface par unité de temps
Il dépend du gradient géothermique et de la conductivité thermique des roches du sous-sol. Il présente
donc des valeurs différentes selon la région étudiée et son contexte géodynamique (dorsale, arc
volcanique, point chaud, bassins sédimentaires où CC amincie, //plaines abyssales, fosses de
subduction).
II. Origine et modalités du transfert de l’énergie.
A. Des origines diverses mais essentiellement radioactive.
90 % de la chaleur provient de la désintégration spontanée de certains isotopes radioactifs trouvés dans
les minéraux des roches (U, Th, K)
Le manteau est l’enveloppe qui libère le plus d’énergie thermique.
– Chaleur émise par la croûte continentale : 5,1.1012 W.
– Chaleur émise par la croûte océanique : 1,16.1012 W.
– Chaleur émise par le manteau : 19,07.1012 W.
– Chaleur émise par le noyau : 0,0162.1012 W.
Au total la chaleur émise est de 25,97.1012 W par désintégration radioactive, le manteau, bien que moins
concentré en isotopes radioactifs, est la principale source d’énergie interne du fait sa masse énorme.
La désintégration des isotopes radioactifs du manteau est pour moitié dans la production d’énergie
interne (la radioactivité des autres enveloppes et la chaleur initiale d’accrétion complètent cette
émission).
B. Deux mécanismes de transfert thermique : convection et la conduction.
TP7
Dans la 1ere modélisation, le gradient de température en fin d’expérience est de 58,7 °C pour 11 cm soit
5,33 °C.cm– 1.
Il y a une très mauvaise diffusion de la chaleur entre la source et le fond car les zones denses sont en bas
et les zones peu denses en haut. Il ne peut y avoir de mouvement contraire à la poussée d’Archimède.
Il s’agit de conduction.
La conduction : mécanisme de transfert d’énergie par agitation des atomes de proche en proche.
Dans la 2eme modélisation, les deux courbes restent sensiblement parallèles à partir de 150 secondes. Le
gradient de température est très faible en fin d’expérience, de l’ordre de 6,3 °C pour 11 cm donc de
0,57 °C.cm– 1.
La chaleur diffuse bien entre le bas et le haut, il y existe donc un bon transfert de chaleur. Ce transfert de
chaleur est permis par la mise en mouvement du fluide : il s’agit de convection.
La chaleur produite peut être transférée par conduction (de proche en proche, d’atome en
atome, mais sans mouvement de matière) : concerne les parties « rigides » notamment la lithosphère,
à l’origine des forts gradients
et par convection (transfert grâce à des mouvements de matière) : concerne les parties liquides
(noyau externe) ou ductiles
(asthénosphère), se réalise au
niveau
du
manteau
non
lithosphérique.
La convection est un moyen de transfert
bien plus efficace.
III. La Terre, une machine thermique
Gradients et flux varient selon le contexte
géodynamique. 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.
Conséquences sur le moteur de la
tectonique des plaques (cf. schéma bilan Nathan)
Les mouvements convectifs sont en
grande partie responsables des
mouvements
de
plaques
lithosphériques.
Les dorsales et les points chauds
correspondent à des zones de
remontée de matière = flux
géothermique fort
Les
zones
de
subduction
correspondent
à
la
partie
descendante des cellules de
convection = flux géothermique
faible (par contre ce flux est élevé au
niveau des zones magmatiques de
subduction).
Au cœur des plaques, l’énergie
thermique est évacuée par conduction
ce qui entraîne un flux géothermique
faible.
Quelles sont les endroits du globe où une exploitation de la géothermie est envisageable?
IV.
L’énergie géothermique utilisable par l’Homme
L’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable d’un endroit à un autre.
Les régions à haut potentiel géothermique sont les régions où le flux géothermique est important : zones
associées au magmatisme de subduction, au magmatisme de point chaud, au magmatisme de rifting : cf
schéma
la géothermie peut aussi se faire dans les régions où il y a une nappe aquifère profonde, comme le bassin
parisien pour une « petite » utilisation.
Technique des roches fracturées : fracturation des roches profondes (5 000 m), création d’une circulation
d’eau chauffée en profondeur et récupération de l’énergie thermique pour fabriquer de l’électricité.
Le prélèvement éventuel d’énergie par l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est
dissipé.
Puissance électrique produite en 2009: 5.6 TW, par
géothermie: 17.6 GW
En 2008, 2,8 % de l’électricité produite dans le
monde était d’origine géothermique, contre
seulement 0,0024 % en France.
Géothermie en Europe
Atlas of Europe, Hermann Haak (Hurtog, Cermak, Zui)
Carte des potentialités de géothermie profonde (5000m) pour la production d'électricité en Europe.