Séquence 3. Enjeux planétaires contemporains : géothermie et propriétés thermiques de la Terre. Sommaire. Chapitre 1. Prérequis

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1 Séquence 3 Enjeux planétaires contemporains : géothermie et propriétés thermiques de la Terre Objectifs L étude du flux thermique d origine interne permettra de comprendre le fonctionnement de la planète Terre mais également de montrer que la géothermie est une source d énergie renouvelable possible. Sommaire Chapitre 1. Prérequis Chapitre 2. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Synthèse Exercices 1

2 Chapitre 1 Prérequis Exercice 1 Exercice 2 Exercice 3 Exercice 4 Exercice 5 Exercice 6 Exercice 7 Au début du XX e siècle, Alfred Wegener et la théorie de la dérive des continents De la dérive des continents à la tectonique des plaques Des alignements volcaniques qui ne sont pas localisés à des frontières de plaques Le moteur de la subduction Le modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère Les séismes, manifestations de la libération de l énergie interne de la Terre La place des énergies renouvelables dans les modes de production d énergie Exercice 1 Question Au début du XX e siècle, Alfred Wegener et la théorie de la dérive des continents Wegener, en 1912, émet l hypothèse que les continents étaient autrefois réunis et que la place qu ils occupent actuellement résulte d un déplacement latéral à la manière de radeaux. Cependant, ces idées se heurtent au constat d un état solide de la quasitotalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L idée de mobilité horizontale est rejetée par l ensemble de la communauté scientifique. Exploiter les documents afin de préciser des arguments sur lesquels s est appuyé Wegener. Aide Pour chaque document, présenter les observations de Wegener et les interprétations qu il en a données. 3

3 Document 1 Position actuelle des continents Document 2 La distribution des anciens blocs continentaux Bouclier guyanais Bouclier ouest-africain Bouclier angolais Bouclier brésilien OCÉAN ATLANTIQUE Bouclier tanzanien Bouclier rhodésien La situation géographique actuelle des deux continents montre la distribution des anciens blocs continentaux (boucliers) ayant plus de 2 Ga (milliards d années). Autour de ces boucliers, les chaînes de montagnes plus récentes ont des âges allant de 450 à 650 Ma. Document 3 Répartition mondiale de quelques espèces animales et végétales fossiles Cynognathus : reptile prédateur terrestre ayant vécu il y a 240 Ma. Mesosaurus : petit reptile de lacs d'eau douce, il y a 260 Ma. Lystrosaurus : reptile terrestre ayant vécu il y a 240 Ma. Glossoptéris : plante terrestre d'il y a 240 Ma. 4

4 Document 4 Marques de glaciations Les marques de glaciations datant de 250 Ma indiquent que ces régions ont été recouvertes par une calotte glaciaire. On a aussi repéré le sens d écoulement des glaces qui s effectue en périphérie de cette dernière. Sens d'écoulement de la glace Exercice 2 Questions Document 5 De la dérive des continents à la tectonique des plaques Le modèle de la dérive des continents de Wegener ayant été rejeté, de nouveaux constats en relation avec l évolution des techniques vont permettre de construire le modèle qui sert actuellement de cadre de raisonnement en géologie. Montrer comment la convergence des observations océanographiques avec les mesures de flux thermique a permis à Hess d avancer l hypothèse d une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l axe des dorsales, conséquence d une convection profonde. En quoi la mise en évidence de bandes d anomalies magnétiques au niveau du plancher océanique, corrélables avec les phénomènes d inversion des pôles magnétiques (connus depuis le début du siècle), permet-elle d éprouver cette hypothèse et de calculer des vitesses d expansion? Présenter les caractéristiques des trois types de frontières de plaques (géodynamiques, morphologiques, tectoniques (déformations), sismiques, magmatiques). L hypothèse d une expansion océanique Au début des années 1960, des constats nouveaux ont permis d avancer l hypothèse d une expansion océanique. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, des campagnes d exploration des fonds sous-marins permettent de mettre en évidence les reliefs sous-marins : dorsales présentant une activité volcanique et sismique constituant une chaîne montagneuse de près de km dominant de à m des plaines abyssales ; 5

5 fosses océaniques : zones les plus profondes des océans caractérisées par une intense activité sismique ; zones de fractures au niveau des dorsales. On a également montré à cette époque que : la croûte océanique était de faible épaisseur et composée de roches basaltiques tandis que les continents sont composés de granite ; le flux de chaleur océanique est plus élevé au niveau des dorsales et diminue progressivement en s éloignant de ces dorsales. H. Hess (1962) pense que le manteau terrestre est affecté de mouvements de convection. Les dorsales mettent en évidence des mouvements ascendants et les fosses océaniques des mouvements descendants : la croûte océanique est continuellement créée par accrétion de matériau au niveau des dorsales, entraînée ensuite à la surface des cellules de convection. Elle finit par atteindre les fosses où elle disparaît dans le manteau. F. Vine et D. Matthews (1963) mettent en évidence des anomalies magnétiques qui sont symétriques par rapport à l axe des dorsales océaniques. L hypothèse de l expansion océanique est confirmée et il devient possible de calculer des vitesses d expansion. J. Oliver et B. Isacks (1967) interprètent le plan de Benioff-Wadati comme étant la trace de la lithosphère océanique retournant dans l asthénosphère. Ces lieux de disparition de la lithosphère océanique seront appelés par la suite zones de subduction. Document 6 Un premier modèle global : une lithosphère découpée en plaques J. Morgan (1967), D. McKenzie (1967) et X. Le Pichon (1968) proposent que la lithosphère est découpée en plaques rigides, peu déformables sauf aux frontières, se déplaçant les unes par rapport aux autres sur l asthénosphère. Les frontières sont déterminées à partir de l activité tectonique. Hesse et Vine (1968) utilisent le terme de tectonique des plaques. Les géologues ont ensuite cherché à expliquer les différentes structures géologiques de la Terre en raisonnant dans le cadre de ce modèle. Exercice 3 Des alignements volcaniques qui ne sont pas localisés à des frontières de plaques Dans l océan Pacifique, l archipel de la Société constitue un alignement d îles volcaniques qui s étend du sud-est au nord-ouest sur plus de 500 km, depuis l îlot de Mehetia jusqu à l atoll de Scilly. Question Montrer que les alignements volcaniques des îles de la Société, situés en domaine océanique, et dont la position ne correspond pas à des frontières de plaques, sont la trace du déplacement de la plaque pacifique au-dessus d un point chaud fixe, situé dans le manteau. 6

6 Aide Ne pas oublier de dire comment ces observations s intègrent dans le modèle de la tectonique des plaques. Document 7 Les îles de la Société Terres émergées m m m 100 km 1 Mehetia 2 Tahiti iti 3 Tahiti nui 4 Moorea 5 Tetiaroa 6 Maiao 7 Huahine 8 Raiatea 9 Tahaa 10 Bora Bora 11 Tupai 12 Maupiti 13 Mopetia 14 Scilly 15 Bellinghausen Document 8 Datation des formations volcaniques de ces îles, par une méthode de chronologie absolue Îles Distance à Mehetia (km) Âge en MA Mehetia 0 0,2 Tahiti Iti 145 0,4 Tahiti Nui (grande île) Moorea 230 1,5 Huahine 368 2,1 Raiatea 400 2,4 Tahaa 425 2,9 Bora bora 458 3,2 Maupiti 495 4,3 Exercice 4 Question Exercice 5 Question Le moteur de la subduction Présenter en quoi les modifications subies par la lithosphère océanique à partir de sa formation à l axe des dorsales et lors de la subduction permettent d expliquer la subduction et son entretien. Le modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère Annoter le document représentant un modèle de la structure du globe et de la dynamique de la lithosphère en faisant figurer des légendes se rapportant : aux enveloppes terrestres : croûte océanique et croûte continentale, manteau lithosphérique, lithosphères continentale et océanique, manteau, noyau externe, noyau interne ; 7

7 aux grandes discontinuités : discontinuités de Mohorovicic (Moho), de Gutenberg (2 900 km) et de Lehman (5 100 km) ; à la géodynamique : zones de divergence (dorsales, rift continental tel le rift est africain), zones de convergence (subduction océanique, subduction continentale, collision), point chaud ; au magmatisme : magmatisme de dorsale, de subduction et de point chaud. Figurer les mouvements par des flèches. Aide Il est possible de placer un certain nombre de légendes sous la forme de cartouches afin d obtenir une production claire. Document 9 Localisation de la coupe présentée dans le document Trait de coupe Dorsales Zones de convergences Mouvements relatifs des plaques Document 10 Modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère L épaisseur de la lithosphère est très exagérée sur le schéma. Inde Tibet Afrique Japon Océan Atlantique Océan Pacifique Amérique du Sud Volcans Exercice 6 Les séismes, manifestations de la libération de l énergie interne de la Terre La Terre est une planète active. Sa lithosphère est l objet de séismes en relation avec la dynamique des plaques. 8

8 Questions Il s agit de montrer que les séismes correspondent à des libérations d énergie en relation avec la dynamique des plaques lithosphériques. Les questions suivantes doivent permettre de répondre à ce problème. Utiliser le logiciel Tectoglob pour afficher l ensemble des séismes et préciser leur répartition en liaison avec les contextes géodynamiques. Utiliser le logiciel Tectoglob et le document 14 présentant le séisme de Sendai, afin de montrer qu il s est produit dans un contexte géodynamique de subduction (afficher les vecteurs GPS de déplacement des plaques, effectuer une coupe sur laquelle ce séisme sera reporté de façon approximative, ne pas oublier de l annoter). Annoter le document 11 à l aide des termes figurés en vert dans le document 12. Document 11 Exploiter les documents 12, 13 et 14 afin de donner, sous la forme d une séquence fléchée (relation cause conséquence), les événements qui se sont succédé dans la région de Sendai. Construire un plan scientifique (introduction posant le problème à résoudre, paragraphes présentant un titre scientifique, conclusion) afin de montrer que les séismes correspondent à des libérations d énergie en relation avec la dynamique des plaques lithosphériques : faire correspondre à chaque paragraphe du plan le travail effectué lors des réponses aux questions précédentes. Document 12 Les séismes ou tremblements de terre Un séisme est provoqué par la rupture brutale des roches de la lithosphère en profondeur, en une zone ponctuelle, le foyer situé à la verticale de l épicentre, projection à la surface de la Terre de la position du séisme en profondeur. Devant les contraintes imposées par le mouvement des plaques, les roches de la lithosphère se déforment de façon élastique jusqu à un point de rupture au-delà duquel elles cassent brutalement le long d une faille. L énergie élastique accumulée est alors libérée. Cette rupture au 9

9 niveau du foyer du séisme est accompagnée d un déplacement de deux compartiments rocheux l un par rapport à l autre, de telle sorte qu il y a dissipation d énergie, d une part sous forme de chaleur obtenue par frottement, et d autre part sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui se propagent dans toutes les directions à partir du foyer. Des stations sismiques situées à la surface de la Terre enregistrent les ondes qui leur parviennent depuis le foyer sismique. Les ondes sismiques peuvent entraîner en surface la dégradation ou la ruine des bâtiments, des décalages de la surface du sol de part et d autre de failles, mais peuvent également provoquer des phénomènes tels que des glissements de terrain, des chutes de blocs, des avalanches ou des tsunamis. Autre ressource pour des informations complémentaires : L École et observatoire des sciences de la Terre de Strasbourg : taper dans un moteur de recherche «eost, séismes». Document 13 La magnitude d un séisme La magnitude (M) est une mesure de l énergie rayonnée à partir du foyer du séisme sous forme d ondes sismiques. L échelle de Richter est une échelle de référence qui évalue l énergie des séismes par la valeur de la magnitude. Des calculs permettent d établir une correspondance entre magnitude d un séisme et énergie libérée. Si l on prend le séisme de magnitude 7 du 12 janvier 2010 à Haïti (M = 7) comme référence, le séisme du Sichuan de mai 2008 (M = 7,9) est 22,4 fois plus énergétique, le séisme du 27 février 2010 au Chili (M = 8,8) l est 500 fois plus et le séisme «record» de 1960 au Chili (M = 9,5) fois plus. Document 14 Le séisme de Sendai (Japon) de mars 2011 Localisation de l épicentre Foyer Magnitude Contexte géodynamique Type de déplacement ayant affecté la lithosphère océanique de la plaque pacifique Destructions au niveau du Japon Naissance d un tsunami 130 km au large de Sendai situé au nord-est de l'île de Honshu, au Japon (latitude N et longitude E). 30 km de profondeur 9,0 Il est 1000 fois plus énergétique que le séisme d'haïti de magnitude 7. Plaque pacifique en subduction sous le Japon. Chevauchement : mouvement inverse selon un plan présentant une pente faible. Les dégâts ont été modérés à lourds même sur des structures résistantes, construites suivant les normes parasismiques en vigueur au Japon. De nombreux immeubles ne se sont pas effondrés bien qu ils aient «bougé». Il est à l origine d une brutale modification de la topographie du fond océanique qui a généré un tsunami, c est-à-dire une vague qui se propage dans l océan. 10

10 Autre ressource pour des informations complémentaires : le site Planet-Terre, site de ressources géologiques : taper dans un moteur de recherche «planet terre séisme de Sendai». Exercice 7 La place des énergies renouvelables dans les modes de production d énergie Un des enjeux planétaires actuel est l énergie. Face à la croissance démographique et aux besoins énergétiques qui l accompagnent, il devient urgent d utiliser des ressources énergétiques rapidement renouvelables. Questions Document 15 Montrer qu utiliser l énergie de la biomasse, des vents, des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement de l énergie solaire. Indiquer quelles sont les deux sources à l origine des énergies renouvelables. Visualiser, sous la forme de graphique en secteurs, les parts en pourcentage des différentes sources d énergie figurant dans les documents 15 à 18. Comparer les parts des différentes sources d énergie du monde et de la France. Part des différentes sources d énergie dans la production d électricité en France en 2009 (d après Statistiques de l énergie électrique en France, juin 2010) Source d énergie Part en % Part en TWh Évolution par rapport à 2008 en % Thermique à flamme (combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz) 10,6 54,9 +3,2 Nucléaire 75, ,8 Énergie renouvelable : hydraulique 11,9 61,8 9 Autres énergies renouvelables dont la géothermie 2,4 12,3 +27,2 TWh = Térawattheure : le wattheure est l unité de mesure d énergie correspondant à la quantité produite en 1 heure par une machine d un watt. 11

11 Document 16 Part des différentes sources d énergie dans la production d électricité dans le monde en 2009 (d après Observ ER/EDF 2010, chiffres de production 2009) Source d énergie Part en % Part en TWh Évolution par rapport à 2008 en % Thermique à flamme 64, ,6 Nucléaire 13, ,3 Énergie renouvelable : hydraulique 16, ,9 Autres énergies renouvelables dont la géothermie ,5 Document 17 Part des différentes sources d énergie renouvelables dans la production d électricité en France en 2008 (d après Observ ER/EDF 2009, chiffres de production 2008) Source d énergie renouvelable Part en % Part en TWh Évolution par rapport à 2007 en % Solaire (panneaux photovoltaïques) 0,1 0, ,1 Hydraulique 85, ,7 Éolien 7,6 5,8 +40,3 Énergies marines 0,7 0,51 1,2 Biomasse 5,7 4,3 +4,8 Géothermie 0,1 0,089 6,3 Document 18 Part des différentes sources d énergie renouvelables dans la production d électricité dans le monde en 2009 (d après Observ ER/EDF 2010, chiffres de production 2009) Source d énergie renouvelable Part en % Part en TWh Évolution par rapport à 2007 en % Solaire 0,6 21,4 +68 Hydraulique 84,3 3213,9 0,9 Éolien 7 268,2 +22,1 Énergies marines 0,01 0,52 4 Biomasse 6,3 241,2 4,3 Géothermie 1,7 65 O,9 12

12 Chapitre 2 A Document 1 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Pour débuter Le globe terrestre reçoit de l énergie externe, l énergie solaire, et il est lui-même une source d énergie. En effet, les séismes, les éruptions volcaniques et le déplacement des plaques lithosphériques sont des manifestations de la dissipation de l énergie interne de la Terre. Modèle présentant les principales plaques lithosphériques et les points chauds Ce document de référence permettra de localiser les différentes zones étudiées au cours de la séquence 7. Fosse des Fosse des Aléoutiennes 1.8 Kouriles Plaque de l'amérique du Fosse du 2.1 Nord Plaque de l'eurasie Japon Plaque du Pacifique Fosse des Marianes Ca Co Fosse du 3.9 Fosse de Pérou 9.2 Plaque de 5.1 Plaque de Tonga Plaque de l'afrique l'australie Nazca 4.4 Fosse du Plaque de Fosse de 6.7 Chili l'amérique du 3.5 Kermadec 3.1 Sud Ca Plaque des caraïbes Mouvements relatifs de divergence 5.4 Plaque de l'antartique Co Plaque des cocos Mouvements relatifs de convergence Les principaux points chauds à l origine d un volcanisme intraplaque ou associé à celui de dorsales ont été figurés en vert. Ce document doit être mis en relation avec le document 10 «Modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère» du chapitre 1 et son corrigé. Document 2 Le flux géothermique en mw.m 2 à l échelle du globe Le flux géothermique est la quantité de chaleur dégagée en surface du globe par unité de temps et par unité de surface. 13

13 flux géothermique (mw/m 2 ) Document 3 Document 4 L Islande, une île dont plus de 70 % de la consommation d énergie proviennent de ses ressources énergétiques hydroélectriques et géothermiques Les ressources énergétiques de l Islande proviennent de deux sources naturelles principales : les précipitations, pour l hydroélectricité, et les sources chaudes liées à l activité volcanique, pour la géothermie. L Islande est une île où on peut observer les effets du fonctionnement d une dorsale océanique et ceux d un panache mantellique (point chaud). En Islande, plusieurs régions de l île présentent des manifestations hydrothermales : geysers, piscines naturelles très chaudes (jusqu à 80 C) et plus de 85 % des habitations de l île sont chauffées par géothermie. Un cinquième de l énergie géothermique est utilisé pour les chauffage des serres de culture, la pisciculture, le déneigement des trottoirs en hiver et les activités de loisirs. L exploitation géothermique de Bouillante en Guadeloupe Bouillante est localisée sur la côte ouest de l île de Basse-Terre. Montserrat la Soufrière Mer des Caraïbes Basse Terre Océan Atlantique Grande Terre Bouillante Soufrière Les Saintes Marie-Galante Faille de Montserrat- Marie Galante Volcans actifs Volcans sous-marins Volcans de la chaîne de Bouillante ( à récent) La région présente en surface de nombreuses sources chaudes. Les petits volcans de la chaîne de Bouillante (volcanisme de moins de 1 million d années) sont probablement à l origine de l anomalie géothermique observée. 14

14 (0.84 Ma) (1.12 Ma) Baie de Bouillante Mer des Caraïbes (0.6 Ma) Bouillante non daté (0.6 Ma) non daté Principaux couloirs de failles Sources chaudes Édifices volcaniques récents (âge en millions d'années) Des failles sont responsables de la perméabilité et de la circulation de fluides en profondeur. L eau de pluie et l eau de mer s infiltrent grâce aux failles et fissures présentes dans les roches et se réchauffent au contact des roches chaudes jusqu à 250 C environ. Le réservoir géothermique serait situé sous la baie de Bouillante. Seule une portion du réservoir est exploitée aujourd hui grâce aux puits forés dans la zone sud de Bouillante. Les forages (Bo1 à Bo7) recoupent ces zones de failles et prélèvent le fluide géothermal à température élevée pour la production de vapeur qui est utilisée dans les turbines afin de produire de l électricité. Pompage d'eau chaude Infiltration des eaux de pluie Infiltration de l'eau de mer Réservoir fracturé 250 C Questions Exploiter les documents afin de montrer : que la Terre produit de la chaleur qui est évacuée de façon inégale en surface ; qu il est possible d établir ainsi un lien entre cette énergie interne et des phénomènes, en relation avec la tectonique des plaques, observables au niveau de la lithosphère. 15

15 Aide Pour chaque document, relever les observations en relation avec la question à résoudre. Document 1 Document 4 Faire un bilan. La Terre produit de la chaleur qui est évacuée de façon inégale en surface. Établir ainsi un lien entre cette énergie interne et des phénomènes, en relation avec la tectonique des plaques, observables au niveau de la lithosphère. Montrer qu une exploitation géothermique dépend à la fois de l énergie solaire et de l énergie thermique de la Terre. L observation des manifestations volcaniques et hydrothermales ainsi que l utilisation de l énergie géothermique constituent des faits montrant qu il existe une chaleur interne. Quelle est l origine du flux thermique permanent observé au niveau de la surface de la Terre? Comment s effectuent les transferts de chaleur à l intérieur de la planète? Comment ces transferts d énergie permettent-ils les mouvements des plaques? Comment exploiter cette ressource énergétique renouvelable? B Cours L étude du flux thermique d origine interne doit non seulement permettre de comprendre le fonctionnement global de la planète, mais aussi montrer que la géothermie est une source d énergie renouvelable possible. 1. Le flux thermique interne de la Terre Le volcanisme et l activité sismique sont des manifestations témoignant de la libération à la surface de la Terre d une énergie interne. Cependant, elles ne représentent à elles seules que 1TW (1 térawatt = Watts) alors que les roches de la lithosphère transfèrent de la chaleur qui correspond à un flux thermique dont la puissance est estimée à TW. Cette énergie totale dégagée par la Terre est environ fois infé- 16

16 rieure à l énergie solaire incidente, donc totalement négligeable dans le bilan énergétique global de la planète. a) Flux et gradient géothermiques Activité 1 Document 5 Mettre en relation les variations du flux géothermique en surface avec celles du gradient géothermique en profondeur Le flux géothermique en mw.m 2 Dans la lithosphère, la chaleur se propage par diffusion à travers les roches solides, des roches profondes les plus chaudes vers les roches superficielles les plus froides. Cette diffusion de chaleur qualifiée également de conduction est fonction du gradient de température. à l échelle du globe (voir document 2) ; La planète libère en moyenne 60 mw/m 2 (les valeurs sont comprises entre 20 et 250 mw/m 2 ). en France. Flux > < Flux < 100 Flux < 60 Flux thermique (mw/m 2 ) Document 6 Le gradient géothermique Le gradient géothermique correspond à la variation de température entre deux profondeurs. Il mesure par conséquent la variation de température en fonction de la profondeur. Document 6a L augmentation de la température dans les exploitations minières souterraines Dans le fossé rhénan, au niveau de la région de Mulhouse, le minerai contenant des sels de potassium, appelé potasse d Alsace, a été exploitée de 1904 à Dans ces mines, la température augmente environ de 4 C tous les 100 m. À m de profondeur, la température est de 55 C au lieu de 35 C dans d autres mines. 17

17 Document 6b Le géotherme dans la lithosphère Lors de forages réalisés dans les premiers kilomètres de la lithosphère, on peut calculer le gradient géothermique, c est-à-dire le coefficient reliant la température et la profondeur. Le gradient géothermique vaut environ 3 C pour 100 m (les valeurs sont comprises entre 1 C pour 100 m et 5 à 10 C pour 100 m). Les données sismiques ont permis d autre part de déterminer que l isotherme 1300 C, qui marque la limite lithosphère-asthénosphère, correspond à une profondeur à laquelle les matériaux du manteau supérieur deviennent ductiles c est-à-dire déformables tout en restant solides. Températures ( C) Géotherme de zone de subduction Pression (Gpa) Profondeur (km) Géotherme continental moyen Géotherme océanique moyen Géotherme sous une dorsale Géotherme de point chaud Le géotherme de zone de subduction correspond aux variations de température en fonction de la profondeur dans la plaque chevauchante. Document 6c Le géotherme visualisant la structure thermique de la Terre On peut représenter la structure thermique de la Terre en établissant la courbe de la variation de la température moyenne en fonction de la distance au centre de la Terre. Les scientifiques ont calculé cette courbe idéale appelée géotherme. Cependant, elle n est pas indépendante du modèle considéré car, pour l établir, il faut savoir par quel mécanisme la chaleur est transportée à l intérieur de la planète. Le gradient de température calculé est de 0,3 C.km 1 dans le manteau et de 0,55 C.km 1 dans le noyau. Température ( K) km Profondeur (Km) km 5150 km 6000 La température est exprimée en kelvins (K). 18

18 Document 7 Questions Méthode de calcul du flux géothermique D une part, on évalue la température des roches à différentes profondeurs, ce qui permet de calculer le gradient géothermique. D autre part, la conductivité thermique des roches, c est-à-dire la facilité avec laquelle une roche transmet la chaleur, est déterminée en laboratoire. On définit alors le flux géothermique d un endroit géographique en réalisant le produit suivant : le flux géothermique d une région = gradient géothermique local conductivité de la roche La valeur moyenne du flux géothermique est de 0.06 W.m ² ou J. m ².s 1, ce qui représente un débit d énergie, c est-à-dire une puissance. Confronter les données du flux géothermique en France fournies par les documents 2 et 5. Rappeler les relations existant entre les variations de la profondeur de l isotherme 1300 C et le contexte géodynamique. Compléter le graphique du document 6c en nommant les différentes enveloppes de la Terre. Comparer le gradient géothermique dans la lithosphère et dans le manteau (document 6). Aide À partir des données du document 6b, effectuer une estimation des différentes valeurs des gradients mesurés au niveau de la lithosphère. Le document 9 peut être utile pour estimer le géotherme de dorsale dans la croûte en formation. Mettre en relation les valeurs trouvées avec le contexte géodynamique. Les comparer avec la valeur qui a été calculée pour le manteau terrestre. À retenir Le flux géothermique correspond au flux thermique qui atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre. La température croît avec la profondeur : c est le gradient géothermique. Le gradient géothermique dans le manteau est plus faible (de l ordre de 0,3 C.km 1 ) que dans la lithosphère (de l ordre 10 à 30 C.km 1 ). Peut-on établir une relation entre flux géothermique et contexte géodynamique? 19

19 b) Variations selon le contexte géodynamique Activité 2 Document 8 Montrer que le flux et le gradient géothermique varient selon le contexte géodynamique Flux thermique le long d une coupe Japon-cordillère des Andes dont le relief est figuré Flux de chaleur (mw/m 2 ) Flux de chaleur moyen à la surface de la Terre JAPON Île d'arc insulaire fosse NO Île intraocéanique volcanique reliefs de dorsale fosse CORDILLIÈRE DES ANDES SE Document 9 Des sources hydrothermales de température variable Des sources hydrothermales au voisinage des dorsales Grâce à l utilisation de submersibles, l exploration du système de dorsales a permis de découvrir des émissions hydrothermales à très haute température : certaines ont des températures de l ordre de 350 C. Ces sites hydrothermaux sont entourés d organismes vivant ainsi à très grande profondeur dans un environnement sans lumière Profondeur (km) 600 C 800 C 1000 C H 2 O 1300 C Fumeurs noirs CM H 2 O Circulation hydrothermale CM : chambre magmatique CO : croûte océanique Magma H 2 O Fractures CO EAU de MER froide (2 C) pauvre en métaux (<<ppb) Mg 2+ > 1000 ppm zone de réactions hydrothermales Mg 2+,H 3 O + FLUIDE HYDROTHERMAL chaud (jusqu'à 350 C) riche en métaux (>ppm) pas de Mg 2+ Ca 2+,métaux ppm (part per million ou partie par million) : un millionième (10 6 ) de gramme. ppb (part per billion ou partie par milliard) : 10 9 gramme. Des sources hydrothermales en domaine continental Le Parc national de Yellowstone aux États Unis (nord-ouest du Wyoming) est situé au niveau d un point chaud. Il contient deux tiers des geysers de la planète et de très nombreuses sources chaudes. 20

20 L Old Faithfull est un geyser qui projette à intervalles très réguliers un jet brûlant d eau à plus de 50 m de hauteur. En France, il existe dans le Massif central des sources d eaux chaudes comme celle de Chaudes-Aigues à près de 80 C. Document 10 Exemples d exploitations géothermiques dans le monde en relation avec le contexte géodynamique Des exploitations correspondant à des frontières de plaques : au niveau des dorsales, outre l Islande (49 MW), il en existe également aux Açores (5 MW) et en Californie (2 817 MW) ; dans les zones de subduction (70 % de l énergie géothermique actuellement exploitée), telles que les Philippines (1 127 MW), le Japon (414 MW) mais aussi la Guadeloupe, avec la centrale géothermique de Bouillante (15 MW) ; dans les zones de collision, telle qu en Toscane (Italie) où, à la phase de collision continentale, a succédé la phase de relâchement à l origine de la formation de nombreuses failles normales liées à l extension ; il en a résulté un amincissement de la croûte et une remontée d asthénosphère responsable d une anomalie du flux thermique (plus de mw.m 2 à Larderello, où les fluides sont constitués de vapeur et de gaz, à une température variant entre 150 C et 260 C) et d un magmatisme crustal. Des exploitations correspondant au domaine intraplaque : au niveau des points chauds, comme par exemple à Hawaii (25 MW) ; au niveau de fossé d effondrement, où des failles profondes associées à un amincissement de la lithosphère favorisent une anomalie thermique positive ; au niveau des zones stables des plaques, dans des bassins sédimentaires où, parmi les couches géologiques accumulées, certaines sont perméables et vont jouer le rôle d aquifères qui peuvent être très étendus, ce qui rend le stock de chaleur particulièrement important, comme par exemple en France (337 MW) et aux États-Unis (1874 MW). Document 11 Quelques données géothermiques de trois domaines géologiques Domaines (exemples en France) Bassins sédimentaires (Bassin aquitain, Bassin de Paris) Fossés d effondrement (Fossé rhénan, Limagne) Zones de subduction (Guadeloupe) au niveau de l arc volcanique Gradient géothermique ( C/100 m) Paramètres Température du fluide circulant ( C) 1 à 3 < à < T < à 50 >

21 Questions Exploiter les documents 1, 2, 6b et 8 afin de construire un tableau visualisant les différents contextes géodynamiques et leurs caractéristiques (flux thermique, gradient géothermique, morphologie, magmatisme, frontières de plaques et mouvements associés). Le document 9 représente les sources hydrothermales au voisinage des dorsales : expliquer les modifications subies par un gabbro GA lorsqu il s éloigne de la dorsale. Préciser ce qu est un aquifère (document 10). Construire un tableau afin de montrer les relations existant entre le contexte géodynamique, le flux géothermique, le gradient géothermique et la possibilité d exploitation géothermique (documents 2, 6b, 8, 9, 10 et 11). En conclusion, montrer que les exploitations géothermiques ne sont pas seulement localisées dans des zones où le flux et le gradient géothermique sont importants. À retenir Le flux et le gradient géothermiques varient selon le contexte géodynamique. Le flux est très variable d une région à l autre : important à l aplomb des dorsales océaniques (magmatisme) et des points chauds (magmatisme), faible au niveau de la fosse des zones de subduction mais plus élevé au niveau de la plaque chevauchante (magmatisme), faible en général au-dessus des masses continentales, plus élevé au niveau des planchers océaniques et des rifts continentaux.. Ces variations sont en relation avec la plus ou moins grande proximité en profondeur de matériaux à haute température. Les exploitations géothermiques actuelles sont le plus souvent associées à des zones au flux thermique important associé au magmatisme (zones de dorsales, de subduction, de points chauds), mais aussi à des domaines continentaux présentant des aquifères plus ou moins profonds (bassins sédimentaires, fossé d effondrement). Les variations du flux géothermique en relation avec le contexte géodynamique suggèrent l existence d une chaleur interne à l origine de la dynamique des plaques lithosphériques. Quelle est l origine de la chaleur interne de la Terre? 22

22 2. L origine du flux thermique Activité 3 Document 12 Document 13 Préciser la source principale de chaleur interne Production de chaleur par désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches : 238 U, 235 U, 232 Th, 40 K La plus grande partie de la chaleur interne de la Terre provient de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques dont sont formées les roches : en particulier 238 U, 235 U, 232 Th, 40 K. Du fait de leurs différences de composition, les roches des différentes enveloppes de la Terre ne contribuent pas de manière équivalente à la libération de chaleur par radioactivité. Ainsi, le potentiel énergétique des granites est 150 fois plus élevé que celui des péridotites et 30 fois plus élevé que celui des basaltes océaniques. Une observation permettant de visualiser la radioactivité dans une granodiorite observée au microscope (lumière naturelle 100) La granodiorite renferme notamment des cristaux de mica noir (biotite). On peut observer inclus dans ces micas de petits minéraux, les zircons, souvent entourés d une auréole noire due à la désintégration radioactive de U et Th qu ils contiennent. 23

23 Document 14 Questions Contribution des différentes sources de chaleur de la Terre à la puissance totale libérée en surface Source de chaleur Puissance en térawatts (TW) Radioactivité de la croûte continentale 6 Radioactivité du manteau dont le volume est très 20 important par rapport à celui de la croûte terrestre Radioactivité du noyau 0 à 1 Chaleur initiale 12,3 Chaleur de différenciation 4,7 Total 43 à 44 La puissance libérée par la croûte océanique est négligée du fait de son faible volume. La chaleur initiale correspond à la libération, par suite du refroidissement des matériaux profonds, de l énergie accumulée lors de la formation de la Terre. La chaleur de différenciation, quant à elle, est libérée lors de la cristallisation du noyau solide aux dépens du noyau liquide. Exploiter les documents 12 et 14 afin d expliquer les différences d énergie libérée par les enveloppes terrestres. Annoter la microphotographie du document 13 à l aide des informations fournies dans le texte. Effectuer un bilan qui réponde à la question posée : «Quelle est l origine de la chaleur interne de la Terre?» À retenir Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches. Du fait de son volume, c est le manteau qui présente la puissance de libération d énergie la plus importante. Comment la chaleur est-elle transférée de l intérieur de la Terre jusqu à sa surface? 3. La convection mantellique, un mode de dissipation de l énergie interne Les études de propagation des ondes sismiques à l intérieur du globe montrent que le manteau est totalement solide alors que le noyau externe, lui, est liquide. Il y a longtemps que les scientifiques considèrent que le manteau peut présenter des courants de convection, car 24

24 il y a en surface un flux de chaleur, des mouvements au niveau des plaques lithosphériques et des sorties ponctuelles de magma au niveau des points chauds. Activité 4 Document 15 Document 15a Rechercher une relation entre l existence de zones chaudes et de zones froides à l intérieur du manteau et la géodynamique de surface La structure thermique du manteau est révélée par la tomographie sismique. Carte des anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques Les tomographies suivantes indiquent les anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques à une profondeur donnée (en pourcentage par rapport à la valeur normale). Les deux échelles ne sont pas identiques mais c est le principe qui importe. À 100 km de profondeur + 6 % 0-6 % Document 15b À km de profondeur, à la base du manteau % % 25

25 Document 16 Profil tomographique de la dorsale est-pacifique à l Amérique du Sud Dorsale Amérique Est pacifique du Sud 120 long. O. 90 long. O. 60 long. O. 30 long. O Profondeur (km) Anomalie de vitesse (%) Questions Exploiter le document 15a afin de montrer qu il existe une forte corrélation entre la position des anomalies de vitesse et la géodynamique en surface (document 1). Ne pas oublier de préciser à quoi correspond dans le manteau la profondeur de 100 km. Quelles informations apporte le document 15b sur la structure thermique à km de profondeur? Quelle(s) question(s) peut-on se poser suite à ces deux observations? Quels éléments de réponse apporte le document 16. Activité 5 Document 17 Document 17a Préciser les mécanismes qui permettent les transferts de chaleur à l intérieur du manteau Les scientifiques ont établi que le manteau est solide et déformable. Deux modes de dissipation de la chaleur On pose comme hypothèse de départ que la production de chaleur au niveau de zones chaudes est compensée par des pertes d égale valeur à l origine de zones froides. La conduction : un transfert thermique de type diffusif Dans un corps supposé non déformable, la chaleur se transmet par conduction-diffusion, c est-à-dire par propagation de proche en proche de vibrations des atomes et des molécules, des zones chaudes vers les zones froides : il n y a pas de déplacement macroscopique de la matière. Ce mode de transfert n est pas envisageable pour l ensemble du globe : les roches, comme par exemple celles du manteau, ne sont pas assez conductrices de la chaleur pour l intensité du flux observée. 26

26 Document 17b La convection : une forme de transfert thermique dans les corps déformables Un modèle analogique de la convection thermique permet de mettre en évidence un certain nombre de notions. On réalise le montage suivant. Zone froide (glaçons) qui absorbe la chaleur Eau Paroi isolante Plaque chauffante (40 C) qui fournit la chaleur o I Un corps déformable se dilate quand sa température augmente et que sa masse volumique devient alors plus faible. Si un corps est chauffé par le bas et refroidi par le haut, la situation est instable, ce qui entraînera la mise en mouvement macroscopique de la matière : la matière froide et dense du haut aura tendance à descendre et la matière chaude et un peu moins dense du bas aura tendance à monter. C est la convection thermique. Les couches limites thermiques sont des couches minces où s effectuent les échanges par conduction entre une cellule de convection et les sources chaude et froide. Document 18 Possibilité 1 Recherche de modèles de transfert de chaleur par convection applicables au fonctionnement de la Terre Le manteau étant considéré comme un corps déformable, plusieurs possibilités où la convection est impliquée sont envisageables. Si un corps est chauffé par le bas et refroidi par le haut (zones denses en haut, zones peu denses en bas), la situation est instable : il y a convection thermique. Surface froide Induction Convection Fond chaud 27

27 Possibilité 2 Si un corps est refroidi par le haut, mais n est pas chauffé par le bas, et qu il existe un chauffage interne, la matière froide du haut descend de façon active, mais il existe peu de mouvements de remontée ; ces derniers sont passifs car ils compensent ce qui descend. Surface froide Remontée passive CHAUFFAGE INTERNE Fond isolé Possibilité 3 Si un corps est refroidi par le haut, un peu chauffé par le bas et qu il existe un chauffage interne, la matière froide du haut descend de façon active, les remontées sont surtout passives, mais il peut y avoir un peu de remontées actives. Surface froide Remontée passive CHAUFFAGE INTERNE Descente active Remontée active Fond presque isolé mais chaud Document 18 Modélisation analogique de la convection thermique dans le cas d un point chaud Il est possible, avec un matériel simple, de réaliser un modèle analogique d un point chaud. Protocole à suivre Verser 50 ml d huile de colza (ou autre) dans un bécher (il faut un récipient transparent résistant à la chaleur, de type pyrex), puis ajouter et mélanger 2 g de craie de couleur (verte, rouge ) réduite au préalable en poudre. Placer au réfrigérateur quelque temps : cela facilitera la réalisation de l étape suivante. Verser délicatement, le long du bord du bécher incliné, 150 à 200 ml d huile ; elle doit rester en surface. Placer une bougie «chauffe-plat» sous le bécher situé sur un portoir et l allumer. 28

28 Résultats observés Au temps t1 Au temps t2 Au temps t3 Questions Si un corps déformable est refroidi par le bas et chauffé par le haut, que pourra-t-on observer? Compléter le document 17b à l aide des informations du texte, en n oubliant pas de tracer des flèches visualisant les deux mécanismes de transfert d énergie. Indiquer en quoi ce modèle analogique présente au moins une différence importante par rapport aux conditions correspondant à celles du manteau terrestre. Quelle possibilité présentée dans le document 18 permet de prendre en compte l ensemble des données des activités 3, 4 et 5. À retenir Le transfert thermique dans la géosphère se fait par conduction essentiellement dans les zones où il y a un changement de la composition chimique (aux interfaces noyau-manteau, manteau-croûte, croûte-atmosphère ou hydrosphère). Les roches étant mauvaises conductrices de la chaleur, la chaleur interne est aussi dissipée par convection, mécanisme beaucoup plus efficace, qui correspond à un transfert de chaleur par mouvements de matière au niveau du manteau. Les mouvements au sein du manteau solide et déformable sont lents, de l ordre de quelques centimètres par an. Quelle vision globale peut-on présenter actuellement du fonctionnement de la Terre? 4. La Terre, machine thermique : une vision actuelle de la tectonique des plaques La dynamique interne de la Terre étant complexe, les modèles proposés sont forcément simplificateurs, car ils ne reflètent que notre conception de son fonctionnement à l heure actuelle. Ils évolueront en fonction de la découverte de nouvelles données. 29

29 Activité 6 Document 19 Montrer qu un modèle scientifique est une construction hypothétique et modifiable dépendant de l évolution des connaissances et des techniques Le modèle proposé par Holmes en 1931 Holmes cherche un mécanisme qui permettrait d expliquer l évacuation de la chaleur interne due aux désintégrations radioactives. Il suggère que des mouvements de convection animant le manteau terrestre seraient le moteur de la dérive des continents de Wegener. Il propose une convection dans le manteau analogue à la circulation atmosphérique avec des courants ascendants au niveau de l équateur et descendants aux pôles. Noyau Manteau Mouvement du manteau Document 20 Le modèle proposé par Hess en 1960 Hess attribue la mobilité des fonds marins à l existence d un «double tapis roulant» au niveau des fonds océaniques, les dorsales étant la manifestation en surface des branches ascendantes de cellules de convection et les fosses océaniques, les témoins des branches descendantes. Les continents sont donc entraînés passivement à la surface des cellules de convection. Dorsale Noyau Manteau Roche froide Roche Chaude Document 21 Un modèle global actuel Les modèles actuels de la tectonique des plaques associent les données fournies par les observations de terrains, des expériences au laboratoire, la tomographie sismique et des modélisations, comme celles de la convection mantellique et de la subduction. 30

30 Document 21a Profil tomographique du Pacifique à l Afrique Les nouveautés des modèles actuels sont principalement déduites des données de tomographie sismique. + Depth (km) Séismes Distance (deg) Document 21b Profil tomographique au niveau du point chaud d Hawaï 0 20 Île d Hawaii Kilauea 20 N 670 km 156 W 155 W 19 N 6 % 0 +6 % 2900 km Document 21c Un modèle prenant en compte les données connues actuellement Les scientifiques considèrent actuellement que les plaques ne sont pas entraînées passivement à la surface des cellules de convection mantelliques comme sur des tapis roulants, mais qu elles prennent une part active dans la convection. Le modèle prend en compte un certain nombre de faits qui ne sont pas tous présentés ici : La tomographie sismique montre que les dorsales ne sont observables qu en surface (il n y a pas de remontée chaude depuis les profondeurs) et que les subductions s enfoncent profondément dans le manteau. Les plaques qui subductent ont une vitesse de déplacement rapide (environ 10 cm.an 1 ) alors que celles qui ne subductent pas ont une vitesse lente (environ 1 cm.an 1 ). Une dorsale comme la dorsale est-pacifique, associée à des plaques qui subductent, est une dorsale dont la vitesse d expansion est d environ 6 à 16 cm.an 1, alors que la dorsale atlantique, qui est associée à des plaques qui ne présentent pas de subduction, a une vitesse d expansion de l ordre de 1 à 2 cm.an 1. 31

31 Dorsale Subduction Point chaud Couche D'' Mouvements de divergence Point chaud Noyau interne (solide) Dorsale Noyau externe (liquide) panache Subduction Manteau (solide) Point chaud Dorsale Lithosphère (solide) Mouvements de convergence Croûte continentale Croûte océanique Manteau lithosphérique Manteau Panache mantellique Radioactivité (source principale de chaleur interne) Volcan de point chaud Volcan de subduction Zone de fusion partielle du manteau Mouvements assurant les transferts d'énergie Questions Relever dans les documents la ou les idées importantes qui ont permis de faire évoluer le modèle du fonctionnement de la Terre de Holmes à nos jours. Aide Faire un tableau présentant l évolution des idées. Ne pas oublier d exploiter les profils sismiques du document 21 afin de mettre en relation cette exploitation avec le document 21c. À retenir Indiquer les renseignements apportés par la tomographie sismique. Compléter le schéma de l exercice 5 du chapitre 1 en prenant en compte les données du chapitre 2. La Terre se comporte comme une machine thermique, c est-à-dire comme un dispositif permettant le passage d énergie sous forme de chaleur vers une énergie mécanique : la chaleur terrestre est dissipée par la mise en mouvement du manteau solide ou convection. Le modèle actuel insiste sur l importance des subductions. La lithosphère océanique, au fur et à mesure qu elle se refroidit en s éloignant des dorsales, devient plus dense que l asthénosphère sous-jacente et elle s enfonce spontanément dans le manteau au niveau des subductions. C est surtout cette descente spontanée qui met les plaques en mouvement et organise la convection mantellique. Les plaques lithosphériques constitueraient les branches descendantes froides de cellules de convection. Les branches ascendantes pourraient être représentées par l ascension de panaches mantelliques sous les points chauds. Les dorsales correspondent uniquement à des épanchements passifs superficiels de matière dans un espace laissé libre par la divergence : les remontées convectives qui ont lieu à l aplomb des dorsales sont à l origine de la formation de magma qui contribue à l accrétion océanique. 32

32 5. Une ressource énergétique possible : la géothermie Comme les exemples présentés auparavant dans le chapitre le montrent, l énergie géothermique utilisable par l Homme est variable d un endroit à l autre. Des exploitations géothermiques sont implantées à proximité de dorsales (Islande), de subductions (Guadeloupe, Japon, Philippines ), de points chauds (Hawaii). Toutes ces zones ont en commun un flux thermique important associé au magmatisme. Cependant, la géothermie a connu ces dernières années un développement dans d autres zones où le flux de chaleur est faible. Comment exploite-t-on actuellement cette ressource énergétique et quel intérêt présente-t-elle? Activité 7 Document 22 Préciser les conditions permettant actuellement une exploitation de l énergie géothermique Les différents types de géothermie La géothermie très basse énergie (température inférieure à 30 C) ayant recours aux pompes à chaleur. La géothermie basse énergie (température entre 30 et 150 C). La géothermie moyenne et haute énergie (température supérieure à 150 C). Géothermie basse énergie Utilisation directe de l'eau pour alimenter un chauffage urbain collectif Utilisation directe de l'eau pour alimenter un chauffage de serres, pisciculture ou piscine Géothermie très basse énergie La température de l'eau est insuffisante. Nécessité d'utiliser une pompe à chaleur Géothermie profonde La température des roches chaudes fracturées permet de produire de la vapeur pour alimenter une centrale électrique injection d'eau froide prélèvement d'eau sont la température est variable Profondeur (km) C 40 C 20 C 15 C 200 C 200 C roche fracturée (exemple : granite) roches sédimentaires (exemple : sables, grès, calcaire) pouvant jouer le rôle d'aquifère 5 33