Cours terminale S la géothermie

Géothermie et propriétés thermiques de la Terre :

Il existe, par exemple en Islande, des sources d’eau très chaude. Cela montre que contrairement à des idées rependues, le sous-sol n’est pas plus froid que la surface, au moins dans ces endroits de sources chaudes. Cette chaleur ne provient pas du soleil mais a une origine interne.

1. Gradient et flux géothermiques témoignent d’une énergie interne :

1. Gradient et flux géothermique :

De nombreuses manifestations à la surface du globe attestent de la présence de matériaux chauds en profondeur. C’est le cas des sources hydrothermales qui libèrent des fluides chauds ; mais aussi des éruptions volcaniques qui sont des manifestations ponctuelles et brutales de la libération d’énergie interne. Enfin, l’augmentation de la température avec la profondeur est une réalité bien connue des mineurs : plus une mine est profonde, plus il fait chaud. Les mesures dans les forages et les mines montrent que la température s’accroît quand on s’enfonce dans le sous-sol. On appelle gradient géothermique l’augmentation de la température par unité de profondeur. Le gradient est mesuré en tous les endroits de la Terre. Il a une valeur moyenne de 3 degrés pour 100 mètre. On retrouve dans le sous-sol un flux de chaleur ou flux géothermique qui correspond à une quantité de chaleur par unité de surface traversée : il s’exprime en watts par mètre carré. Il a pour conséquence l’existence d’un flux de chaleur en surface : c’est le flux thermique. Sa valeur moyenne est de 60 milliwatts par mètre carré. Le flux géothermique dépend du gradient géothermique mais aussi de la conductivité thermique des roches. 95% de la libération d’énergie interne est ainsi dissipée de façon diffuse ; les 5% restant correspondant à des événements localisés et brefs : séismes et éruptions volcaniques.

1. 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 plus élevé au niveau des océans que sur les continents. Dans le domaine océanique, les zones à flux de chaleur élevé sont les dorsales océanique 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 de même qu’au niveau des fosses associés.

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. Origine du flux géothermique et modalités du transfert d’énergie.

1. Origine du flux géothermique :

Le flux géothermique a pour origine essentielle la radioactivité : en effet, les enveloppes du globe contiennent des éléments radioactifs tels que l’uranium, thorium et potassium. Le noyau atomique instable des isotopes radioactifs se fragmente spontanément en libérant un rayonnement et de l’énergie thermique. On parle de désintégration. 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.

1. Transfert de l’énergie thermique crée :

La chaleur produite dans les enveloppes internes du globe arrive en surface grâce à deux processus physiques : la conduction et la convection.

• La conduction est le transfert de chaleur par le contact direct sans mouvement de matière : la chaleur traverse les roches de proche en proche. Cependant, les roches sont de mauvais conducteurs de chaleur.
• La convection est le transfert de chaleur grâce à des mouvements de matière à la manière de l’air chauffé qui s’élève en altitude à l’équateur puis redescend au sol une fois qu’il est refroidi. Le manteau et la croûte étant solides, ce sont les roches elles-mêmes qui se déplacent. Il y a donc formation de cellule de convection.

→ Schéma d’une cellule de convection.

1. Un modèle thermique du globe :

L’inégal répartition du flux de chaleur est un argument en faveur des mouvements de convection des roches. La convection concerne les roches du manteau ductile situé sous la lithosphère. La lithosphère plongeant au niveau des zones de subduction du fait de sa densité apporte du matériel froid dans le manteau, vraisemblablement jusqu’à la limite manteau-noyau. Du matériel mantellique chaud d’origine plus superficielle monte au niveau des dorsales. Des endroits très localisés à l’échelle du globe, les points chauds, correspondent à la montée de matériel chaud depuis la limite entre le manteau et le noyau appelée couche d’’.

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