Leçon 5 : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

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1 Acquis : zone de subduction = zone de production de magma avec remontée des isothermes au niveau de la plaque chevauchante = zone de remontée de l énergie d origine interne. D autres indices révèlent cette énergie interne : sources hydrothermales, geysers, augmentation de la température au fond des mines avec un gradient géothermique moyen de 30 C par km. Alors que nos réserves de combustibles fossiles diminuent, la géothermie est une alternative à nos besoins énergétiques. L énergie géothermique constitue avec l énergie solaire indispensable à la vie sur Terre les deux piliers des énergies renouvelables. Leçon 5 : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Problèmes : Où et comment exploiter cette énergie géothermique? Quelle est l origine de l énergie interne du globe? Comment son transfert vers la surface est-il assuré? Y-a-t-il un lien entre dissipation de l énergie interne et tectonique des plaques? I L exploitation de l énergie géothermique en France et dans les DOM-TOM : Caractéristiques de quelques stations géothermiques Localisation des sites géothermiques Bassin Parisien Soultz sous forêts (Alsace) Bouillante (Guadeloupe) Islande Gradient géothermique 30 à 50 C/km Sédiments : 100 C/km Granite fracturé avec eau : 20 C/km 250 C/km 175 C/km Flux thermique 60mW/m 2 120mW/m 2 70mW/m 120mW/m 2 Contexte géodynamique Bassin sédimentaire épaisseur des sédiments Remontée asthénosphère et Moho, rifting, amincissement CC, extension avec failles normales Subduction Dorsale en surface + point chaud Température de l eau utilisée 70 C 200 C 250 C 175 C Type de géothermie Basse énergie Haute énergie Haute énergie Haute énergie Utilisation Chauffage individuel et collectif Centrale électrique Centrale électrique Chauffage individuel, collectif Centrales électriques

2 La température croît avec la profondeur : c est le gradient géothermique. Il est en moyenne de 30 C par km. Un flux thermique atteint la surface en provenance des profondeurs de la terre, on parle de flux géothermique. Il est exprimé en W par m² et correspond à la quantité d énergie thermique provenant des profondeurs de la Terre et transférée vers la surface par unité de surface et par seconde. (Flux géothermique = Conductivité thermique des roches gradient géothermique) Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique. L énergie géothermique utilisable par l Homme est variable d un endroit à l autre. Ce sont des régions à haut flux et haut gradient géothermique : - zones de subduction, - dorsales si elles affleurent, - points chauds, - zones de rifting continental (amincissement de la croûte continentale et remontée de l asthénosphère) - bassins sédimentaires avec grande épaisseur de sédiments, NB : l exploitation de l énergie géothermique nécessite absolument la présence d eau (naturelle ou artificielle) pour récupérer la chaleur.

3 II Origine et transfert de l énergie thermique à l échelle de la planète : Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches (depuis la formation de la terre il y a 4,5 milliards d années). Le manteau en est le principal producteur avec une plus forte quantité d éléments radioactifs (uranium U, thorium Th et potassium K).

4 Pb : comment cette énergie est-elle transférée au sein de la Terre du manteau vers la surface? Gradient géothermique fort 10 /km ds la lithosphère??? Gradient géothermique faible 0.5 /km ds le manteau??? Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : - la conduction est un transfert thermique réalisé de proche en proche par transmission sans mouvement global des matériaux, - la convection est un transfert thermique réalisé par des déplacements de matériaux du fait de différence de densité entre les secteurs chauds et froids. Hypothèse : gradient faible lié à convection ds le manteau ; gradient fort lié à conduction ds la lithosphère Vérification expérimentale : on mesure par EXAO le gradient thermique engendré dans l eau par conduction (chauffage par le haut) et par convection (chauffage par le bas). On s attend à des gradients respectivement élevé et faible Montage expérimental

5 Evolution des températures en surface et en profondeur dans l eau dans un modèle convectif A et un modèle conductif B A Température : Thermomètre superficiel B Température : Thermomètre superficiel Température : Thermomètre profond Température : Thermomètre profond Ecart de température à 10 mn ; écart entre les thermomètres : 30cm Gradient thermique 0.3 C/cm Gradient thermique 3 C/cm Le gradient thermique est beaucoup plus faible dans le modèle convectif (meilleure efficacité du transfert de chaleur) que dans le modèle conductif. Retour au géotherme de la Terre : 10 C/km Lithosphère 10 C/km

6 Le gradient géothermique est plus fort dans la lithosphère que dans le manteau sous-jacent : le transfert d énergie s effectue par conduction dans la lithosphère et essentiellement par convection dans le manteau sous-jacent ( mise en mouvement des péridotites). Le transfert par convection est beaucoup plus efficace!!! (Homogénéisation plus efficace des températures ) III Transferts d énergie et tectonique des plaques Géodynamique et chaleur interne de la Terre Chaud Froid

7 A l échelle globale, le flux géothermique est maximal au niveau des dorsales (il est associé à la production de lithosphère nouvelle = accrétion océanique). Le plongement dans le manteau de la lithosphère océanique froide et dense (subduction), est associé à un courant descendant froid de matériau du manteau, qui est compensé au niveau de la dorsale par un courant ascendant du manteau chaud, solide et peu profond. Le manteau asthénosphérique est donc mis en mouvement par la lithosphère : mouvement des plaques et mouvements du manteau sous-jacent sont strictement liés. Des courants ascendants chauds de manteau solide se forment aussi en profondeur (à la limite du noyau) et donnent en surface le magmatisme de point chaud (panaches mantelliques). La Terre est donc une machine thermique : transferts d énergie et mouvements lithosphériques et du manteau sont couplés. Le prélèvement éventuel d énergie par l Homme ne représente qu une infime partie de ce qui est dissipée.

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