CHAPITRE
Plan
1Le gradient et le flux géothermiques internes de la Terre
A) Mesurer et calculer le gradient et le flux géothermiques
- mesurer le gradient de la croûte : relevé de la température dans des forages ou des mines en fonction de la profondeur. Ex. : 30 °C/km dans la croûte continentale
- mesurer le flux en surface : relevé de la chaleur dissipée au niveau du sol en fonction du temps. Ex. : 90 mW/m2/an en moyenne soit environ 46.1012 W/an = 46 TW
- flux et gradient sont liés : flux thermique = conductivité thermique × gradient thermique
B) L’origine principale du flux géothermique : la radioactivité interne
- flux géothermique positif en surface : chaleur évacuée de l’intérieur de la Terre vers sa surface
- éléments radioactifs (238/235U, 232Th et 40K) présents dans la croûte et le manteau. Ex. : manteau = 0,015 ppm (238/235U) + 0,08 ppm (232Th) + 0,1 ppm (40K)
- production de chaleur associée à la désintégration radioactive. Ex. : manteau = 0,02 µW/m3/an pour un volume de 0,8.1021 m3
- 21.1012 W/an = 21 TW produits en tout par radioactivité au sein de la Terre
C) Le gradient et le flux géothermiques dépendent du contexte géodynamique
- ex. : dorsale = 120 mW/m2 et subduction = 40 mW/m2
- ex. : présence de nombreuses sources hydrothermales supérieures à 50 °C en Islande (point chaud et dorsale), beaucoup moins en France
- influence du contexte géodynamique sur le gradient et le flux géothermiques
Transition : la Terre interne est donc le siège d’une production de chaleur qui est évacuée vers la surface. Cette évacuation de chaleur est plus ou moins efficace selon le contexte géodynamique ce qui se traduit par des variations du gradient et du flux géothermiques.
2Les mécanismes de transfert de l’énergie thermique au sein de la Terre
A) La conduction : un mécanisme de transfert peu efficace
- transfert thermique de proche en proche par contact entre les roches. Ex. : lithosphère
- dépend de la conductivité thermique des roches. Ex. : péridotite = 3 W/m/°K et basalte = 2 W/m/°K
B) La convection : un mécanisme de transfert très efficace
- transfert thermique par déplacement de matière (à l’état solide, liquide ou gazeux) avec conservation de la température des matériaux : produit un faible gradient thermique. Ex. : manteau asthénosphérique
- convection dépendant du gradient de densité
- production de chaleur interne profonde = augmentation de la température profonde = diminution locale de la densité profonde = convection possible. Ex. : point chaud
- perte de chaleur en surface = diminution de la température en surface = augmentation de la densité en surface = convection possible. Ex. : subduction
- convection lente du manteau : plongée de matériaux froids avec remontée de matériaux chauds
- la convection mantellique s’inscrit donc dans la tectonique globale
C) Les mécanismes de variation géodynamique du flux géothermique
- au niveau d’une dorsale, manteau chaud proche de la surface : flux important
- dans une subduction, plongée d’une plaque froide : diminution du flux vers la surface
Transition : les types de transfert thermique et les contextes géodynamiques sont des paramètres qui contrôlent l’intensité du flux thermique que l’on peut mesurer en surface. Toutes les régions de la Terre n’ont donc pas le même flux et le même gradient géothermique. Ces caractéristiques permettent de comprendre comment l’Homme peut utiliser l’énergie géothermique.
3L’énergie géothermique : une énergie renouvelable utilisable par l’Homme
A) L’énergie thermique : une énergie renouvelable
- prélèvement actuel d’environ 60.109 W/an = 6,0.10-3 TW, soit 1 000 fois moins que le flux thermique annuel total
- énergie disponible renouvelable (radioactivité) et presque inépuisable (prélèvement infime)
B) L’énergie thermique : une ressource variable dans l’espace
- flux et gradient thermiques dépendent du contexte géodynamique
- sous Paris (bassin sédimentaire) : gradient = 30 °C/km
- en Alsace (bassin d’effondrement) : gradient = 100 °C/km
- en Islande (point chaud et dorsale) : gradient = 250 °C/km et 49 MW/an exploités
C) L’énergie thermique : quelles utilisations pour l’Homme ?
- deux utilisations possibles : production de chaleur et d’électricité
- chauffage : géothermie très basse à moyenne énergie. Ex. : récupérer l’eau chaude d’un aquifère à quelques km de profondeur sous Paris
- électricité : géothermie moyenne à haute énergie. Ex. : centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe = eau bouillante profonde faisant tourner une turbine.
Bilan : l’énergie géothermique est une ressource renouvelable et quasiment inépuisable. Elle possède différentes applications et permet actuellement à l’Homme de se chauffer et de produire de l’électricité. C’est une alternative aux énergies fossiles plus polluantes et aux stocks limités.
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