Thème 2A : GEOTHERMIE ET PROPRIETES THERMIQUES DE LA TERRE

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1 Sciences de la Vie et de la Terre Classe de Terminale S Partie 2 : Enjeux planétaires contemporains Thème 2A : GEOTHERMIE ET PROPRIETES THERMIQUES DE LA TERRE A la surface de la Terre, deux sources d énergie inépuisables à l échelle humaine sont disponibles : l énergie solaire et l énergie géothermique. L énergie solaire, indispensable au maintien d une température compatible avec la vie sur notre planète, permet le fonctionnement des écosystèmes planétaires. L énergie provenant de l intérieur du globe, ou énergie géothermique, constitue le moteur de la tectonique des plaques. Bien que représentant une puissance disponible des milliers de fois plus faible que l énergie solaire, cette énergie peut s avérer une ressource intéressante pour subvenir aux besoins des populations humaines. ð Problématique : Quelle est l origine de la géothermie et comment exploiter ces ressources? I/ Gradient et flux géothermiques témoignent d une énergie interne A) Gradient et flux géothermique v Le gradient géothermique permet de mesurer l élévation de température avec la profondeur. Des forages ont permis de mesurer un gradient géothermique moyen de 3 C pour 100m soit 30 C / km. v Le flux géothermique, mesuré en W/m 2, correspond à la dissipation d énergie provenant des profondeurs de la Terre et traversant une surface donnée en un temps donné. Ainsi dans l écorce terrestre, la température augmente avec la profondeur suivant un gradient géothermique ; ce gradient est variable d une région géologique à l autre. Compte-tenu du gradient géothermique qui existe entre la profondeur et la surface de la Terre, un transfert thermique global traverse cette surface : c est le flux géothermique. Une telle mesure permet d évaluer le transfert de chaleur de la profondeur vers la surface. Il dépend du gradient géothermique mais aussi de la conductivité thermique des roches ; sa valeur moyenne est de 65mW/m 2. 95% de la libération d énergie interne est ainsi dissipée de façon diffuse, les 5% restant correspondant à des évènements localisés et brefs : séismes et éruptions volcaniques. B) Gradient et flux géothermique varient selon le contexte géodynamique Le flux géothermique présente des variations importantes d une région à l autre ; il est, par exemple, un peu plus élevé au niveau des océans que sur les continents. Ø Dans le domaine océanique, les zones à flux de chaleur élevé sont les dorsales océaniques d une part, les arcs volcaniques liés à la subduction et les points chauds d autre part. En revanche, le flux de chaleur est faible au niveau des zones stables (plateau continental et plaines abyssales) de même qu au niveau des fosses associées à la subduction. Ø Sur les continents, un flux géothermique élevé est observé dans les régions volcaniques mais aussi dans certains bassins sédimentaires où la croûte est amincie. Ainsi en France métropolitaine, le flux géothermique est relativement élevé dans des bassins d effondrement comme l Alsace ou la Limagne. 1

2 BILAN : La libération d énergie interne se traduit, en surface, par de nombreuses manifestations : geysers, sources hydrothermales mais aussi éruptions volcaniques. Le gradient géothermique mesure l augmentation de température lorsque l on s enfonce dans le sous-sol. Sa valeur moyenne est de 30 C/km. Le flux géothermique correspond à la dissipation permanente d énergie interne à la surface du globe. Il dépend du gradient géothermique mais aussi de la nature des roches, et donc de leur conductivité thermique. Sa valeur moyenne est de 65mW/m 2. Le flux géothermique varie selon le contexte géologique : il est particulièrement élevé au niveau des dorsales, des points chauds, des arcs volcaniques associés aux zones de subduction. II/ L origine du flux géothermique et les modalités du transfert d énergie A) L origine de la chaleur libérée à la surface de la Terre La chaleur d accrétion La chaleur d accrétion, due à l agglomération de matière qui s est produite lors de la formation de la planète. Une grande partie de cette chaleur s est évacuée avec le refroidissement de la Terre. Une origine principale : la désintégration d éléments radioactifs La chaleur de la Terre provient essentiellement (à 90%) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium ( 238 U et 235 U), thorium ( 232 Th) et potassium ( 40 K). Le noyau atomique instable des isotopes radioactifs se fragmente spontanément en libérant un rayonnement et de l énergie thermique. Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa masse énorme lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d énergie interne. B) Deux mécanismes de transfert inégalement efficaces Deux mécanismes peuvent organiser des transferts thermiques entre les enveloppes profondes de la Terre dans lesquelles des désintégrations radioactives libèrent de l énergie et la surface de la lithosphère traversée par le flux géothermique : la conduction et la convection. v La conduction correspond à un transfert de chaleur de proche en proche. Il n y a pas dans ce cas de déplacement de matière (mais seulement à l échelle atomique). L échange thermique entre une région chaude et une région voisine plus froide se matérialise par un fort gradient thermique (par exemple dans la croûte : 30 C/km). L efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du matériau. v La convection, en revanche, correspond à un transfert de chaleur avec un déplacement de matériaux qui conserve pratiquement sa température (le gradient thermique est alors très faible de 0,3 C/km par exemple). Ce mécanisme de transfert d énergie, très efficace, se met en place lorsqu un matériau chaud et peu dense est surmonté par un matériau froid et plus dense. La matière chaude a tendance à s élever et, à terme, se refroidir ; à l inverse, matière plus froide et plus dense a tendance à descendre et, à terme, à s échauffer. Des cellules de convection s organisent alors. 2

3 C) Un modèle thermique du globe Les données de tomographie sismique suggèrent également pour le manteau situé sous la lithosphère, une structure thermique hétérogène avec des secteurs plus chauds sous les dorsales et des secteurs plus froids sous les zones de subduction. Il est donc possible d envisager une animation convective du manteau sous la lithosphère avec des remontées superficielles de matériaux chauds sous les dorsales et descentes de matériau refroidi sous les zones de subduction pouvant affecter le manteau jusqu à sa base. Dans la Terre, le géotherme, modèle proposé pour rendre compte de l évolution de la température en fonction de la profondeur, fait apparaître des gradients géothermiques différents en fonction de la profondeur : Ø Au niveau manteau lithosphérique et de l interface noyau/manteau, on observe une pente faible signe d un gradient géothermique fort : ce qui caractérise un transfert de chaleur par conduction. Ø Au niveau du manteau asthénosphérique et du noyau externe, la forte pente indique un gradient géothermique faible ce qui caractérise un transfert de chaleur par convection (convection à l état solide dans le manteau asthénosphérique et convection à l était liquide dans le noyau externe). 3

4 On peut ainsi considérer la Terre comme une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau à l origine des remontées et des descentes asthénosphériques. Celles-ci sont à l origine de la dynamique lithosphérique et donc aussi à l origine des manifestations de surface. Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique. Ainsi, c est la dissipation d énergie interne du globe qui permet le déplacement des plaques lithosphériques. De part et d autre de cette zone convective existent deux couches où règne la conduction : la lithosphère et l interface noyau/manteau. C est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré. Ainsi, l énergie interne est efficacement transférée par convection de la profondeur vers la surface puis dissipée par conduction à travers la lithosphère. Le globe terrestre se refroidit ainsi très progressivement. BILAN : La majeure partie de l énergie interne est issue de la désintégration radioactive de certains isotopes présents dans les roches. Le manteau terrestre en produit la plus grande part. La conduction et la convection représentent les deux modes de transfert de la chaleur depuis la profondeur vers la surface. La conduction à travers la lithosphère, transfert de chaleur sans déplacement de matière, permet la dissipation de la majeure partie de l énergie produite. La convection, en revanche, est un transfert avec des déplacements de matière qui s organisent en cellules de convection. C est d une part un moyen très efficace pour véhiculer de l énergie thermique, d autre part, le moteur du déplacement des plaques lithosphériques. III/ L énergie géothermique est utilisée par l Homme A) Une ressource inépuisable à l échelle humaine L énergie géothermique est utilisée par l Homme avec deux objectifs principaux : - D une part la production de chaleur (chauffage individuel, collectif et industriel) - D autre part la production d électricité En 2010, on a estimé que l énergie géothermique utilisée dans le monde correspondait à une puissance installée d environ 50GW pour le chauffage et seulement 10,7GW pour la production d électricité. Au total, cela représente à peine 1% de la consommation mondiale d énergie. En fait, ce prélèvement d énergie géothermique par l Homme est infime par rapport à l énergie interne dissipée par la Terre ; on peut donc considérer que cette énergie est une ressource inépuisable à l échelle humaine. 4

5 B) Deux grands types d utilisation de l énergie géothermique L utilisation à des fins de chauffage : la géothermie «basse énergie» Il s agit principalement d extraire la chaleur contenue dans la croûte terrestre afin de l utiliser pour les besoins de chauffage. Pour cela On peut utiliser l énergie du sous-sol (captée à quelques mètres ou quelques dizaines de mètres de profondeur) grâce à des pompes à chaleur pour les besoins du chauffage individuel. On peut également récupérer de l énergie dans un aquifère, nappe d eau souterraine permanente située entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres de profondeur, et dont la température est comprise entre 30 et 100 C (la principale utilisation dans ce cas est le chauffage urbain). L utilisation pour la production d électricité : la géothermie «haute énergie» Actuellement, on dénombre dans le monde 350 centrales géothermiques qui produisent de l électricité, la plupart étant situées dans des zones de subduction, des zones de dorsales ou des points chauds. Dans les régions à très fort gradient géothermique, des forages (de 500 à 2000m de profondeur en moyenne) permettent de récupérer de la vapeur d eau bouillante qui jaillit avec suffisamment de pression pour alimenter une turbine. C est, par exemple, le cas de la centrale de Bouillante en Guadeloupe. Une autre technique consiste à réaliser des forages de 5000m de profondeur, assez proches, l un de l autre puis de fracturer les roches entre ces forages. L eau aspirée par un des puits est à 200 C environ ; elle est exploitée pour produire de l électricité puis réinjectée dans le sous-sol par l autre forage, en un cycle permanent. C est le principe du fonctionnement de la centrale de Soultz-Sous-Forêts, dans le Bas Rhin Contextes géologiques Bassins sédimentaires (hors rifts) Zones de subduction Rifts Gradient géothermique 30 C/km Supérieur à 30 C/km Profondeur d extraction du fluide Température du fluide prélevé Quelques utilisations possibles m 45 C 80 C - Chauffage collectif - Chauffage individuel et eau chaude sanitaire 1000m 250 C - Electricité - Chauffage collectif 5000m Supérieur à 150 C - Chauffage individuel et eau chaude sanitaire BILAN : L énergie géothermique est utilisée par l homme avec deux objectifs principaux : la production de chaleur pour le chauffage et la production d électricité. Mais ce prélèvement d énergie est infime par rapport à l énergie interne dissipée par la Terre ; on peut donc considérer que cette énergie est une ressource inépuisable à l échelle humaine. Les ressources géothermiques dépendant du contexte géologique : elles sont importantes dans les régions volcaniques, les zones de rift comme l Islande et, dans une moindre mesure, dans les bassins d effondrement. La géothermie «haute énergie» utilise directement les fluides très chauds afin de produire de l électricité. La géothermie «basse énergie» récupère de l énergie thermique à faible profondeur dans le sol ou le sous-sol à des fins de chauffage. 5

6 SCHEMA BILAN : La Terre, machine thermique 6