HYDROTHERMALISME et GEOTHERMIE

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1 HYDROTHERMALISME et GEOTHERMIE P. Patrier Mas Lien : (ressources pédagogiques)

2 Quelques définitions. Gê : terre - thermos : chaleur Géothermie : «C est l utilisation de la chaleur naturelle de la Terre, en tant que source d énergie locale, concurrentielle, durable et acceptable du point de vue écologique et social, pour produire de l électricité et pour des applications directes de la chaleur» (UNESCO, 1993). Larderello, 1904 Hydrothermalisme : qui se rapporte aux circulations d eaux souterraines chaudes et minéralisées et à leur utilisation

3 Documents Pour le géologue système géologique associé Système hydrothermal : Système géologique caractérisé par des circulations de fluides chauds en dessous de la surface de la terre. Ces systèmes peuvent être actifs ou fossiles Système géothermal = limité à la zone superficielle d un système hydrothermal actif (fossile = epithermal)

4 Hydrothermalisme - Géothermie Chaleur + Fluide (L ou V)

5 La chaleur de la Terre: Origine : -relique de sa formation : Energie potentielle issue de la condensation des poussières, gaz... -désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches U, Th, K demi-vies 238 U : ans 232 Th : ans 235 U : ans 40 K : ans

6 Toute cette chaleur remonte difficilement à la surface car les roches de l écorce terrestre sont de mauvais conducteurs Transferts par conduction peu efficaces (refroidissement de la Terre : 50 K+/- 25 pour 10 9 ans) Pour comparaison: Acier «doux» :46 W/m/K Amiante : 0.17 W/m/K Laine de verre : 0.04 W/m/K Conductivité thermique : quantité de chaleur transférée par unité de surface et par unité de temps sous un gradient de température de 1 degré par mètre.

7 Transferts par conduction Augmentation de la température avec la profondeur 3.3 C pour 100m Premières mesures par forage en 1832 à 220 m de profondeur (3,4 C/100m) en France : 2 C/100m (Pyrénées) à 10 C/100m (Alsace)

8 Flux d énergie Flux d énergie : gradient géothermal x conductivité thermique ( C/m - W/m/ C) La chaleur ne s évacue pas de façon homogène à la surface du globe Le flux d énergie peut atteindre plusieurs 100nes de mw/m 2 Gradient géothermal pouvant atteindre 30 C/100m

9 La chaleur aux limites de plaques Zones fragiles de l écorce terrestre Remontée du magma vers la surface (intrusions plutoniques, volcans)

10 Les transferts de chaleur se font principalement par convection (transfert thermique associé à un déplacement de matière) : beaucoup plus efficace Perméabilité croissante Intrusion à 750 C Mise en place de cellules de convection

11 Origine de la mobilité des fluides Gradient de densité en fonction de T Dans le réservoir, les températures peuvent atteindre plus de 350 C

12 Nature des fluides mis en jeu

13 L hydrothermalisme et les systèmes hydrothermaux

14 L hydrothermalisme sous-marin altération des roches basaltiques en cours d extrusion par les solutions issues de mélanges entre les fluides magmatiques et l eau de mer Cours ressources minérales, gists types VMS

15 L hydrothermalisme continental Les systèmes hydrothermaux amagmatiques (BE) -Grande diversité -Echelles très variées Bassins sédimentaires, orogènes, socles continentaux -Déplacement des fluides contrôlé par un gradient de charge associé à des reliefs topographiques, par des changements des champs de contrainte (lors de la compaction sédimentaire, ou lors de déformations tectoniques) - L écoulement des fluides s effectue dans des fractures, des discontinuités géologiques, des surfaces de décollement, des zones de cisaillement

16 L hydrothermalisme continental de connexion magmatique (HE) 1 - Système épithermal : profondeur < 1500m et à 50 < T < 200 C 2 - Système mésothermal : une profondeur intermédiaire ( m) et à 200 < T < 400 C 3 - Système hypothermal : profondeur > 4500 m) et à 400 < T < 600 C Gisements métallifères Cf. cours ressources minérales

17 Expression en surface de l hydrothermalisme dans les environnements de haute énergie Émissions d eaux chaudes : geysers

18 Remontée d eaux thermales au niveaux de «piscines» Champagne pool 74 C - ph=5 - Au, Ag, Hg, Ar, S, Th, Sn

19 Emanations gazeuses : fumerolles

20 «mud pots» : mares de boues

21 Travertins cristallisation dissolution critique

22 Fluides très acides (H2SO4)... Cratères de dissolution

23 Sols chauds

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26 Expression en surface de l hydrothermalisme dans les environnements de basse énergie Source du Par - Chaudes Aigues (82 C)

27 Expression en profondeur Fonction du déséquilibre fluide/roche et que la quantité de fluide. Existences de fractures ± transformation aux parois (altération filonienne) Altération dans la masse (altération diffuse)

28 Interaction des fluides chauds avec les roches : = altération hydrothermale (ve) ill ill (wr) ca Changement de structure, de minéralogie, de chimie de la roche lorsque les conditions physico-chimiques de l environnement sont modifiées en présence de fluides. qz ca qz ill op 80µm Quel message? À l origine de remobilisations

29 Intérêt économique

30 Systèmes hydrothermaux fossiles... cristallisation dissolution critiqu e Activité suffisamment longue pour être à l origine de concentrations en éléments métalliques exploitables Systèmes épithermaux : Au, Ag, Hg, Sb, As, Pb, Zn, Cu... Systèmes mésothermaux : Cu, Mo, W, Au, Sn...

31 Veine à chalcopyrite CuFeS2 Veine à or-quartz Veine à calcite Veine à fluorine

32 Systèmes hydrothermaux actifs Géothermie haute énergie : production d électricité. L eau est captée sous forme de vapeur pour la production d électricité Énergie géothermique ( ) Haute énergie ( C)

33 La géothermie et les systèmes géothermaux

34 Définition d un système géothermal Système conventionnel: Source de chaleur + Fluide + milieu poreux ou fracturé Documents Source de chaleur Systèmes «Roches chaudes sèches» ou «Hot Dry Rock» (HDR) ou EGS (Enhanced Geothermal System)...

35 Selon la présence/nature des fluides... Systèmes à vapeur dominante Insuffisance de perméabilité du milieu, la recharge ne compense pas la perte d eau liquide due à l ébullition T élevée (Larderello C) Systèmes à liquide dominant Majorité des systèmes Systèmes secs/ EGS Documents

36 Géothermie Très Basse Energie T < 30 C Aquifère peu profond. Utilisation de la chaleur géothermique Géothermie Basse Energie C Aquifère entre 1500 et 2000m de profondeur. Bassins sédimentaires (existence de roches poreuses imprégnées d eau).

37 Utilisation de la chaleur géothermique Géothermie Moyenne Energie C Eau chaude ou vapeur. Zones propices à la géothermie HE (mais Prof.<1000m) + bassins sédimentaires (entre 2000 et 4000m). Production d électricité possible via un fluide intermédiaire. Géothermie Haute Energie T > 150 C Réservoir entre 150 et 3000m dans zones de gradient géothermal anormalement élevé. Fluide capté sous forme de vapeur sèche ou humide. Production d électricité.

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39 Zones propices à la géothermie moyenne et haute énergie

40 Classement de filières géothermiques par usage