2017-2018

Pauline Alméras

2017-2018

Chapitre 9

Table des matières

Chapitre 9 – La géothermie

Introduction .................................................................................................................................. 3

I – Gradients et flux géothermique .................................................................................................. 3

A - Des observations de terrain .................................................................................................... 3

B - Quantification du gradient ...................................................................................................... 3

C - La notion de flux géothermique .............................................................................................. 4

II – Origine du flux thermique et transfert d’énergie ....................................................................... 4

A – L’origine de la chaleur interne du globe ................................................................................ 4

B – Les mécanismes de transfert d’énergie thermique ............................................................... 5

1 – Différents types de transferts ............................................................................................. 5

2 – Comparaison de l’efficacité des transferts de chaleur par conduction et par convection 6

3 – Mécanismes en jeu à l’intérieur du globe .......................................................................... 6

Bilan du II : La Terre est une machine thermique. ....................................................................... 7

III – L’exploitation de la chaleur interne ........................................................................................... 8

A – La géothermie de moyenne et haute énergie ........................................................................ 8

B – La géothermie de basse énergie ............................................................................................ 8

Bilan du III ..................................................................................................................................... 9

Conclusion ...................................................................................................................................... 10

C H A P I T R E 9

Introduction

Le terme géothermie a double sens :

- C’est la science qui étudie la chaleur interne de la Terre

- Cela désigne aussi les processus d’exploitation de cette chaleur interne pour produire de la

chaleur ou de l’électricité.

Dans ce chapitre, nous allons voir comment se manifestent les flux de chaleur interne de la Terre, et

de quelle façon ces flux peuvent être exploités par l’Homme comme source d’énergie.

I – Gradients et flux géothermique Quelles sont les caractéristiques du flux géothermique ?

A - Des observations de terrain

Question 1 page 239

Les manifestations hydrothermales (fumeurs noirs, geysers, sources chaudes) sont

interprétées comme le résultat d’une interaction entre l’eau et les roches chaudes en

profondeur.

Dans les mines, la température est d’autant plus élevée qu’on s’enfonce.

Plus on s’enfonce dans le sous-sol, plus la température augmente. Le gradient géothermique mesure

l’importance de cette variation de température en profondeur.

B - Quantification du gradient

On peut quantifier le gradient géothermique de la croûte par mesure directe de la température à

l’intérieur d’un puis de forage.

Question 2 page 239

Alsace : 15 °C en surface, 90 °C à 1000m donc gradient de 90-15 = 75 °C/km = 7,5 °C pour 100m.

Kola : 10°C en surface, 180°C à 12 262m donc gradient = (180-10)/12.262 = 14 °C/km = 1,4 °C pour

100m.

Docs 1 et 2 page 240 : A quoi pourraient être dues ces différences de gradient ?

Le gradient géothermique peut varier fortement en différents points du globe. Il dépend du

contexte géodynamique (volcanisme, fossé d’effondrement… -> gradient élevé).

Remarque : le gradient géothermique diminue en profondeur ; ces mesures ne sont valables que pour

la croûte. (Si ce gradient était constant l’intérieur de la Terre ferait 500 000 °C ; dans la pratique on

estime qu’elle est plutôt de 6000 °C -> estimation de la température interne possible par tomographie

sismique.)

C - La notion de flux géothermique

Le flux géothermique est la quantité d’énergie thermique provenant des profondeurs de la Terre et

traversant une unité de surface terrestre par unité de temps. On peut le considérer comme la

« capacité locale à évacuer la chaleur » : plus le flux est élevé plus la chaleur « s’échappe »

localement.

Question 3 page 239

Le flux dépend du gradient géothermique ainsi que de la conductivité thermique des roches, donc de

leur nature. Si une roche est peu conductrice, le flux est faible : la chaleur reste « piégée ».

Le gradient dépend du contexte géodynamique. Or le flux dépend du gradient. Le flux géothermique

est donc lui aussi lié au contexte géodynamique.

Carte page 240 : flux géothermique local (France)

Carte page 242 : flux géothermique mondial

On constate que le flux géothermique est très variable à la surface du globe : 20mW/m² à

350mW/m².

On remarque que les flux de chaleur sont bien liés au contexte géodynamique :

- Le domaine continental -> il présente un flux globalement assez faible, surtout au niveau des

terrains anciens (à cause de la faible activité géologique locale, qui a justement permis de

conserver ces terrains anciens)

- Les dorsales -> elles présentent un flux thermique très important. Ceci est dû à la présence

de matériel chaud très près de la surface (asthénosphère qui remonte et magma), à l’origine

de la production d’une nouvelle lithosphère océanique.

- Les zones de rifting -> elles présentent un flux thermique assez important. Le mécanisme est

similaire à celui des dorsales (asthénosphère qui remonte, éventuellement production locale

de magma), mais en moins intense.

- Les points chauds -> ils correspondent à un flux thermique important qui est lié à la

remontée de materiel mantellique profond et chaud, à l’origine d’une production de magma.

- Les zones de subduction

o Flux très faible au niveau de la fosse océanique : ceci est dû au plongement de la

lithosphère océanique âgée, devenue plus froide et dense.

o Flux élevé au niveau des arcs volcanique du fait de la présence de chambres

magmatiques.

II – Origine du flux thermique et transfert d’énergie TP 20

A – L’origine de la chaleur interne du globe

La chaleur interne de la Terre provient en partie de l’énergie accumulée en moment de sa formation

par accrétion (25% de sa chaleur actuelle environ). Mais elle est surtout due à la désintégration

d’isotopes radioactifs naturels (75% de sa chaleur interne environ).

Quelle partie du globe produit l’essentiel de la chaleur interne de la Terre, et comment l’expliquer ?

Feuille de calcul Excell.

L’uranium est l’élément qui dégage le plus de chaleur par désintégration.

Nos calculs montrent que c’est le manteau qui produit la majeure partie de la chaleur interne

de la Terre : environ 75 % de la chaleur due à la désintégration. En effet, même si les

éléments radioactifs y ont une concentration assez faible, le volume total du manteau est

très important.

B – Les mécanismes de transfert d’énergie thermique

Quels sont les mécanismes qui assurent les transferts de chaleur depuis l’intérieur de la Terre vers

la surface ?

1 – Différents types de transferts Il existe différents modes de transferts de chaleur : radiation, conduction et convection.

A l’intérieur de la Terre, les transferts se font essentiellement selon 2 modes : par conduction et par

convection.

- Conduction = transfert de chaleur sans mouvement de matière

- Convection = transfert de chaleur lié à un mouvement de matière -> voir modélisation dans

le livre doc 3 page 245.

2 – Comparaison de l’efficacité des transferts de chaleur par conduction et par convection Protocole expliqué dans doc 4 page 245

Tableur

o Tracer les courbes d’évolution des températures dans les 2 situations

o Déterminer l’évolution du gradient thermique dans les deux situations

o Comparer l’efficacité des deux modes de transfert de chaleur

Dans le cas de la convection, les écarts de température dans le milieu sont faibles (gradient avec une

faible valeur absolue) : les transferts de chaleur sont donc efficaces (le milieu est « brassé).

Dans le cas de la conduction, les écarts de températures sont très importants : les transferts de

chaleur sont moins efficaces.

3 – Mécanismes en jeu à l’intérieur du globe Entre 2 couches du globe ou à l’intérieur d’une couche rigide, il n’y a pas de transfert de matière : les

échanges se font donc par conduction.

A l’intérieur d’une couche liquide (noyau externe) ou ductile (asthénosphère), les échanges de

chaleur se font essentiellement par convection. Celle-ci étant plus efficace que la conduction, le

gradient thermique à l’intérieur de ces couches est relativement faible.

Sur ce graphique, utiliser 2 couleurs différentes pour présenter les modes de transferts dominants.

Le gradient plus faible dans les zones avec convection : les matériaux sont « brassés » donc la

chaleur est mieux répartie.

Le gradient est plus fort quand les échanges de chaleur se font par conduction car ce mode

de transmission est moins efficace.

Transferts de chaleur

Conduction

Convection

Bilan du TP, proposé par Agnès et Marie : La chaleur de la Terre provient majoritairement du manteau, du fait de son épaisseur et de sa teneur massique en thorium, potassium et uranium. C’est ainsi que le manteau participe à 75 % de la production de chaleur par désintégration d’isotopes radioactifs. Plusieurs mécanismes sont à l’œuvre pour le transfert de chaleur :

Conduction : chaleur transférée par contact, sans mouvement de matière

(radiation)

Convection : chaleur transférée par mouvement de matière Parmi eux, la convection est la plus efficace pour transférer de la chaleur. Chaque couce de la Terre a convection ou conduction comme moyen principal de transfert de chaleur. Le manteau lithosphérique est en conduction, le manteau asthénosphérique est en convection, la couche D en conduction, le noyau interne en convection et la graine en conduction (voir schéma).

Bilan du II : La Terre est une machine thermique.

Rappel : plus un milieu est froid, plus il est rigide, donc plus les ondes sismiques vont vite. L’étude de

la vitesse des ondes sismiques permet donc d’obtenir une image thermique des profondeurs de la

Terre. Cette technique est appelée tomographie sismique.

Compléter le schéma.

Magmatisme de

subduction

Magmatisme de point

chaud

Magmatism

e de rifting

Magmatism

e de dorsale

Magmatisme de

subduction

Magmatisme de point

chaud

Magmatism

e de dorsale

Convection

Conduction

Convection

Conduction

III – L’exploitation de la chaleur interne Quelles conditions doivent être réunies pour que la chaleur interne de la Terre puisse être utilisée

comme ressource énergétique ?

A – La géothermie de moyenne et haute énergie

TP 20

Deux exemples de géothermie de haute énergie en France -> travaux faits en TP.

Exemples d’articles réussis, distribués à la fin du TP : celui de Titouan, Manon et Maëlis, et celui de

Mallaury, Romain et Arlette.

Dans une usine de géothermie à haute énergie, de l’eau s’infiltre en profondeur par des failles et se

réchauffe au contact des roches particulièrement chaudes. La température de ces roches est liée au

contexte géodynamique de la région. L’usine géothermique récupère ainsi une eau très chaude, qui

se transforme en vapeur à la surface (baisse de la pression) et permet, par le biais d’une turbine ou

d’un échangeur thermique, de produire de l’électricité.

Le renouvellement de l’eau en profondeur peut se faire en réinjectant l’eau utilisée par la centrale

(c’est le cas en Alsace) ou de façon naturelle (comme en Guadeloupe, grâce aux précipitations et aux

infiltration d’eau de mer dans les nombreuses failles).

A l’échelle mondiale, ce type d’usine ne peut être installé que dans un contexte tectonique

entrainant un flux de chaleur important : les arcs volcaniques de zones de subduction, les régions de

rifting, ou encore les points chauds (+ dorsale, exploitable uniquement en Islande). Du fait de cette

relation étroite avec le contexte tectonique, ces ressources géothermiques sont réparties de façon

inégale à la surface de la planète.

B – La géothermie de basse énergie

Bien que le bassin parisien ne présente pas de flux de chaleur très important, on trouve plusieurs

installations géothermiques dites de basse énergie.

Ce type d’installation consiste à prélever de l’eau réchauffée et piégée en profondeur. Il peut être

mis en place dans les bassins sédimentaires. En effet les dépôts de couches successives de sédiments

entrainent une succession de terrains perméables et imperméables. Cela constitue un piège pour

l’eau. Les couches géologiques riches en eau sont appelées aquifères.

Noyau interne

Noyau externe

Manteau

inférieur et

asthénosphère

Manteau

lithosphérique Croûte continentale

Croûte océanique

Mouvements

convectifs

Conduction thermique

Flux géothermique

Radioactivité (libération

d’énergie) Croûte océanique

Océan Volcans Magmatisme de rifting et de dorsale

Voir doc 2 page 240 : les marques colorées représentent les aquifères.

L’eau récupérée de cette façon est bien moins chaude que dans le cas de la géothermie à haute

énergie (en général moins de 100°C ; doc 2 page 248 –> seulement 27 °C !). Elle ne permet donc pas

de produire de l’électricité, mais elle peut être utilisée pour le chauffage.

L’avantage de ce type de géothermie est qu’elle nécessite un forage moins profond.

Remarque : la géothermie de très basse énergie consiste à faire circuler un fluide à faible

profondeur (en général entre 0 et 100m). Le fluide récupéré de cette façon n’est pas suffisamment

chaud pour être utilisé directement pour du chauffage : le système doit être couplé à une pompe à

chaleur.

Bilan du III

Le contexte géologique (tectonique et nature du terrain) conditionne la répartition des ressources

géothermiques et leur exploitation. Quel que soit le type d’installation envisagé, le prélèvement

réalisé par l’Homme ne représente qu’une très faible partie de l’énergie interne de la Terre

dissipée en surface.

Schéma bilan :

- Dans les rectangles, zones favorables à la géothermie de haute énergie (points chauds,

dorsale émergée (seul cas au monde : Islande), arc volcanique, rift)

- Zones favorables à la géothermie de basse énergie : selon la nature des terrains (exemple :

bassins sédimentaires)

Conclusion Les découvertes géologiques sur la structure et la dynamique de la Terre permettent d’envisager son

activité comme une machine thermique. En surface, cette activité se traduit par la tectonique des

plaques et la présence de points chauds.

La chaleur interne de la Terre, essentiellement due à la radioactivité, entraine un flux géothermique

dirigé vers la surface. L’énergie ainsi libérée peut être utilisée par l’Homme, si le contexte géologique

y est favorable, comme ressource d’énergie renouvelable.