HYDROTHERMALISME et GEOTHERMIE P. Patrier Mas Lien : http://sfa.univ-poitiers.fr/geosciences/ (ressources pédagogiques)
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
Documents www.iga.igg.cnr.it 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)
Hydrothermalisme - Géothermie Chaleur + Fluide (L ou V)
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 : 4.5 10 9 ans 232 Th : 14 10 9 ans 235 U : 710 10 6 ans 40 K : 1.3 10 9 ans
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.
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)
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
La chaleur aux limites de plaques Zones fragiles de l écorce terrestre Remontée du magma vers la surface (intrusions plutoniques, volcans)
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
Origine de la mobilité des fluides Gradient de densité en fonction de T Dans le réservoir, les températures peuvent atteindre plus de 350 C
Nature des fluides mis en jeu
L hydrothermalisme et les systèmes hydrothermaux
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
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
L hydrothermalisme continental de connexion magmatique (HE) 1 - Système épithermal : profondeur < 1500m et à 50 < T < 200 C 2 - Système mésothermal : une profondeur intermédiaire (1500-4500 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
Expression en surface de l hydrothermalisme dans les environnements de haute énergie Émissions d eaux chaudes : geysers
Remontée d eaux thermales au niveaux de «piscines» Champagne pool 74 C - ph=5 - Au, Ag, Hg, Ar, S, Th, Sn
Emanations gazeuses : fumerolles
«mud pots» : mares de boues
Travertins cristallisation dissolution critique
Fluides très acides (H2SO4)... Cratères de dissolution
Sols chauds
Expression en surface de l hydrothermalisme dans les environnements de basse énergie Source du Par - Chaudes Aigues (82 C)
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)
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
Intérêt économique
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...
Veine à chalcopyrite CuFeS2 Veine à or-quartz Veine à calcite Veine à fluorine
Systèmes hydrothermaux actifs Géothermie haute énergie : production d électricité. L eau est captée sous forme de vapeur pour la production d électricité Énergie géothermique (1970-1980...) Haute énergie (150-350 C)
La géothermie et les systèmes géothermaux
Définition d un système géothermal Système conventionnel: Source de chaleur + Fluide + milieu poreux ou fracturé Documents www.iga.igg.cnr.it Source de chaleur Systèmes «Roches chaudes sèches» ou «Hot Dry Rock» (HDR) ou EGS (Enhanced Geothermal System)...
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 400-650 C) Systèmes à liquide dominant Majorité des systèmes Systèmes secs/ EGS Documents www.iga.igg.cnr.it
Géothermie Très Basse Energie T < 30 C Aquifère peu profond. Utilisation de la chaleur géothermique Géothermie Basse Energie 30-90 C Aquifère entre 1500 et 2000m de profondeur. Bassins sédimentaires (existence de roches poreuses imprégnées d eau).
Utilisation de la chaleur géothermique Géothermie Moyenne Energie 90-150 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.
Zones propices à la géothermie moyenne et haute énergie
Classement de filières géothermiques par usage