3- Gradient et flux géothermique
Objectifs
Comprendre les notions de gradient et flux géothermique.
Pré-requis
- L’origine de la chaleur interne de la Terre provient de la chaleur initiale ainsi que de la désintégration d’éléments radioactifs localisés essentiellement dans le manteau.
- L’énergie thermique peut-être dissipée soit par déplacement de matière (convection) soit sans déplacement global de matière (conduction).
Introduction
Le globe terrestre reçoit de l’énergie externe, l’énergie solaire mais il est aussi une source d’énergie lui-même. En effet, les séismes, les éruptions volcaniques et le déplacement des plaques lithosphériques sont des manifestations de la dissipation de l’énergie interne de la Terre.
Depuis l’aube de l’humanité, l’Homme a toujours su tirer parti de l’énergie interne du globe mais la découverte d’énergies plus facilement mobilisables (charbon, pétrole) n’a guère encouragé son développement. Aujourd’hui, l’épuisement programmé des réserves d’énergie fossiles, la nécessité de préserver l’environnement et le réchauffement climatique dû à l’effet de serre imposent de faire toute leur place aux énergies renouvelables comme la géothermie.
I. Le gradient géothermique et géotherme
Comment mesurer l’énergie produite par la planète ?
Le gradient géothermique correspond à la variation de température entre 2 profondeurs. Il mesure par conséquent la variation de température en fonction de la profondeur. Il s’exprime en °C/m ou en K/km. Le géotherme représente la courbe régulière de variation de la température en fonction de la profondeur (ou de la pression), tandis que le gradient géothermique est la pente du géotherme à une profondeur donnée. Autrement dit, le géotherme désigne le profil de température de la Terre et le gradient géothermique, l’augmentation de la température au fur et à mesure que l’on progresse en profondeur. En Europe, le gradient géothermique moyen est de 1°C tous les 33 m soit 3°C tous les 100 m.
Un exemple de courbe du géotherme et du gradient géothermique.
Grâce aux modélisations mathématiques ainsi qu’à l’étude de la vitesse des ondes sismique, le géotherme terrestre moyen a pu être établi :
Grâce aux modélisations mathématiques ainsi qu’à l’étude de la vitesse des ondes sismique, le géotherme terrestre moyen à peu être établi :
D’après Franck Perron, Banque de schémas SVT, académie de Dijon.
Une vidéo qui précise les variations de la courbe :
Voici le lien si la vidéo ne fonctionne pas :
https://www.lesbonsprofs.com/notion/svt/geotherme-et-proprietes-thermiques-de-la-terre/geotherme
Ce géotherme peut cependant varier sur les 100 premiers kilomètres :
Les géothermes au niveau de la lithosphère.
Modifié, d’après Alain Gallien, Banque de schémas SVT, académie de Dijon.
II. Le flux géothermique
Le flux géothermique correspond au flux thermique qui atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre.
Afin d’établir ce flux géothermique, on évalue, tout d’abord, la température des roches à différentes profondeurs, ce qui permet de calculer le gradient géothermique et on détermine en laboratoire la conductivité thermique des roches, c’est-à-dire la facilité avec laquelle une roche transmet la chaleur.
Le flux géothermique d’un endroit géographique correspond donc alors au produit suivent :
Flux géothermique d’une région = Gradient géothermique local x conductivité de la roche
La valeur moyenne du flux géothermique est de 0,06 W/m2 ou J/m2/s, ce qui représente un débit d’énergie, c’est-à-dire une puissance. Il s’agit donc d’une quantité d’énergie thermique dissipée par unité de surface et par unité de temps.
Cependant tout comme le gradient géothermique n’est pas constant d’une région à l’autre, le flux va donc varier également :
Carte du flux thermique mondial
Carte du flux thermique en France en 1989
Les valeurs des gradients et des flux géothermiques varient selon le contexte géodynamique.
En domaine océanique, les flux géothermiques sont élevés au niveau des dorsales océaniques, des points chauds (île de La Réunion) et des arcs volcaniques ou cordillères liés à la subduction (Japon, Andes, Antilles,…).
En domaine continental, les flux géothermiques sont forts au niveau des zones avec magmatisme (vallée du rift africain). De plus, des bassins sédimentaires ayant une croute amincie présentent un flux géothermique élevé, tels les bassins d’effondrement de l’Alsace ou de la Limagne en France.
Pour aller plus loin...
- 2 conférences de Yanick Ricard sur le manteau terrestre :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/manteau-terrestre-Ricard.xml
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/paf-2001-manteau-Y-Ricard.xml
- Exemple de l’exploitation d’un forage en Bretagne :
http://www.universcience.tv/video-cinergy-un-forage-profond-en-bretagne-6147.html