Thème 3Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

Chapitre 9Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

L’existence d’un flux de chaleur d’origine interne, variable d’une région à l’autre, est attestée par de nombreuses manifestations : sources chaudes, température élevée du sous-‐sol…

On cherche à faire la distinction entre gradient géothermique et flux géothermique.

Preuve de la présence de matériaux chauds en profondeur : sources hydrothermales, éruptions volcaniques (libération d’énergie interne).

Les forages permettent de mesurer l’élévation de température avec la profondeur, c’est le gradient géothermique. Sa valeur moyenne est de 30°C par kilomètre.

Le flux géothermique, mesuré en W.m-‐2, correspond à la dissipation d’énergie provenant des profondeurs de la Terre. Cela permet d’évaluer le transfert de chaleur de la profondeur vers la surface. Il dépend du gradient géothermique mais aussi de la conductivité thermique des roches. Sa valeur moyenne est de 65mW.m -‐2.

95% de la libération d’énergie interne est ainsi dissipée de façon diffusive, les 5% restant correspondent à des événements localisés et brefs : séismes et éruptions volcaniques.

Le flux géothermique variations importantes d’une région à l’autre : plus élevé au niveau des océans qu’au niveau des continents (dorsales océaniques, arcs volcaniques et points chauds). Faible au niveau des zones stables et des fosses océaniques.Sur les continents, il est élevé dans les zones volcaniques ainsi qu’au niveau de certains bassins sédimentaires où la croûte est amincie.

Ces variations sont en relation avec la plus ou moins grande proximité en profondeur de matériaux à haute température.

DM : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

La chaleur de la Terre provient principalement (90%) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium, thorium et potassium. Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa masse lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d’énergie interne.

L’énergie thermique est transférée au sein des enveloppes du globe selon deux modalités : la conduction et la convection.La conduction correspond à un transfert de chaleur de proche en proche sans déplacement de matière. L’efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du matériau. Dans un corps opaque supposé non déformable, la chaleur se transmet par conductionLa convection correspond à un transfert de chaleur avec déplacement de matériau. Ce mécanisme est très efficace. Il se met en place lorsqu’un matériau chaud et peu dense est surmonté par un matériau froid et plus dense. Il se forme alors des cellules de convections. Une cellule de convection correspond à un volume du globe terrestre qui est soumis à des courants de convection

Bilan : Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches. Du fait de son volume, c’est le manteau qui présente la puissance de libération d’énergie la plus importante.

TD 18 : L’origine du flux thermique et le transfert d’énergie

On peut considérer la Terre comme une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau. Cette convection est à l’origine de la dynamique lithosphérique et donc des manifestations visibles à la surface de l’activité interne du globe (tectonique, séismes, volcans).

Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique. De part et d’autre des zones convectives existent deux couches où règne la conduction : la lithosphère et l’interface noyau/manteau.

C’est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré.

L’énergie interne est ainsi transférée par convection vers la surface puis dissipée par conduction à travers la lithosphère. Le globe terrestre se refroidit ainsi très progressivement.

Bilan : Le transfert thermique dans la géosphère se fait par conduction essentiellement dans les zones où il y a un changement de la composition chimique (aux interfaces noyau -‐manteau, manteau-‐croûte, croûte-‐atmosphère ou hydrosphère).

Les roches étant mauvaises conductrices de la chaleur, la chaleur interne est aussi dissipée par convection, mécanisme beaucoup plus efficace, qui correspond à un transfert de chaleur par mouvements de matière au niveau du manteau.

Les mouvements au sein du manteau solide et déformable sont lents, de l’ordre de quelques centimètres par an.

C’est la descente spontanée de la lithosphère océanique qui met les plaques en mouvement et organise la convection mantellique. Les plaques lithosphériques constitueraient les branches descendantes froides de cellules de convection. Les branches ascendantes pourraient être représentées par l’ascension de panaches mantelliques sous les points chauds.

TD 19 : Le transfert d’énergie et la dynamique interne

L’énergie géothermique est utilisée par l’Homme avec deux objectifs principaux : la production de chaleur pour le chauffage et la production d’électricité. Mais cela représente au total à peine 1% de la consommation mondiale.

Sur les continents, le gradient géothermique est en moyenne de 20 à 30 °C par kilomètre avec d’importantes variations.

Pour une utilisation de type chauffage, il s’agit principalement d’extraire la chaleur contenue dans la croûte terrestre afin de l’utiliser. On peut :

- Utiliser l’énergie du sous-‐sol captée grâce à des pompes à chaleur- Récupérer l’énergie dans un aquifère, nappe d’eau souterraine permanente, dont

la température est comprise entre 30 et 100°C.

On dénombre dans le monde 350 centrales géothermiques permettant une production d’électricité. La plupart de ces centrales sont situées au niveau des zones de subduction, au niveau des dorsales océaniques ou au niveau de points chauds.

Dans les régions à très fort gradient géothermique, des forages réalisés entre 500 et 2000 mètres de profondeur permettent de récupérer de la vapeur d’eau qui jaillit avec suffisamment de pression pour alimenter une turbine.

Une autre technique consiste à réaliser des forages à 5000 m assez proches les uns des autres. On fracture ensuite les roches entre ces forages. L’eau aspirée par un des puits est à 200°C environ, elle est exploitée pour produire de l’électricité puis elle est réinjectée dans le sous-‐sol par l’autre forage.

TD 20 : L’exploitation par l’Homme de l’énergie géothermique

Bilan :

En France métropolitaine, les recherches et les inventaires réalisés à ce jour montrent que c’est dans le domaine de la production de chaleur pour l’habitat et le tertiaire que le plus d’énergie peut-‐être produit, au point de répondre à la quasi-‐totalité des besoins.

Dans de nombreux pays du monde, en Amérique latine, en Asie du Sud-‐Est et en Afrique de l’Est en particulier, c’est en revanche la production d’électricité qui pourrait contribuer de manière significative au bilan énergétique.

Contrairement aux énergies fossiles, la ressource géothermique est considérée comme illimitée et se trouve potentiellement partout puisqu’elle repose sur le flux thermique terrestre. Le prélèvement éventuel d’énergie par l’homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est dissipé.