IV - 4 Anomalies gravimétriques - Espace d`authentification univ
publicité
IV - 4 Anomalies gravimétriques Relief non compensé Relief compensé • Air libre : AAL > 0 • Air libre : AAL = 0 • Bouguer : AB = 0 • Bouguer : AB < 0 ◮ Anomalie de Bouguer : toutes les anomalies liées à la croûte connue sont corrigées → on voit les anomalies sous le Moho moyen C.Grigné - UE Terre Profonde 170 IV - 4 Anomalies gravimétriques Dorsales C.Grigné - UE Terre Profonde 171 IV - 4 Anomalies gravimétriques Dorsales ¥ Anomalie à l’air libre (Free air) : • Faible amplitude (-20 à +20 mGal) • Correspond aux reliefs • A grande longueur d’onde : indique qu’il y a équilibre isostatique (pas le cas dans l’Atlantique Nord → Raisons ? - sédiments ? - relief de trop courte longueur d’onde pour être compensé ?) C.Grigné - UE Terre Profonde 172 IV - 4 Anomalies gravimétriques Dorsales ¥ Anomalie à l’air libre (Free air) : • Faible amplitude (-20 à +20 mGal) • Correspond aux reliefs • A grande longueur d’onde : indique qu’il y a équilibre isostatique (pas le cas dans l’Atlantique Nord → Raisons ? - sédiments ? - relief de trop courte longueur d’onde pour être compensé ?) ¥ Anomalie de Bouguer : • Décroît du plateau océanique vers la dorsale ◮ Indique un déficit de masse en profondeur C.Grigné - UE Terre Profonde 172 IV - 4 Anomalies gravimétriques Dorsales ¥ Anomalie à l’air libre (Free air) : • Faible amplitude (-20 à +20 mGal) • Correspond aux reliefs • A grande longueur d’onde : indique qu’il y a équilibre isostatique (pas le cas dans l’Atlantique Nord → Raisons ? - sédiments ? - relief de trop courte longueur d’onde pour être compensé ?) ¥ Anomalie de Bouguer : • Décroît du plateau océanique vers la dorsale ◮ Indique un déficit de masse en profondeur C.Grigné - UE Terre Profonde 172 IV - 4 Anomalies gravimétriques Subduction C.Grigné - UE Terre Profonde 173 IV - 4 Anomalies gravimétriques Subduction C.Grigné - UE Terre Profonde 173 IV - 4 Anomalies gravimétriques Subduction C.Grigné - UE Terre Profonde 174 IV - 4 Anomalies gravimétriques Subductions ¥ Anomalie à l’air libre fortement négative au-dessus de la fosse (-300 mGal) ◮ Traduit le déséquilibre isostatique −→ dynamique du manteau C.Grigné - UE Terre Profonde 175 IV - 4 Anomalies gravimétriques Subductions ¥ Anomalie à l’air libre fortement négative au-dessus de la fosse (-300 mGal) ◮ Traduit le déséquilibre isostatique −→ dynamique du manteau ¥ Anomalie positive au niveau de l’arc volcanique ◮ Traduit la présence de la plaque en subduction et la transformation de la croûte océanique en éclogite C.Grigné - UE Terre Profonde 175 IV - 4 Anomalies gravimétriques Isostasie : rebond post-glaciaire • Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était couverte de 2.5 km de glace ◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère • Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire ◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an C.Grigné - UE Terre Profonde 176 IV - 4 Anomalies gravimétriques Isostasie : rebond post-glaciaire • Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était couverte de 2.5 km de glace ◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère • Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire ◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an C.Grigné - UE Terre Profonde 176 IV - 4 Anomalies gravimétriques Isostasie : rebond post-glaciaire • Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était couverte de 2.5 km de glace ◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère • Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire ◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an C.Grigné - UE Terre Profonde 176 IV - 4 Anomalies gravimétriques Isostasie : rebond post-glaciaire • Exemple : entre -80 000 ans et -10 000 ans, la Scandinavie était couverte de 2.5 km de glace ◮ Surcharge et réponse élastique de la lithosphère • Réchauffement climatique à -10 000 ans, fonte de la calotte glaciaire ◮ Soulèvement rapide de 50 cm/an à 1 cm/an ◮ Anomalies gravimétriques : • A l’installation de la calotte glaciaire, avant enfoncement : AAL > 0 • Pendant l’enfoncement : AAL diminue et tend vers zéro, AB diminue • Après la fonte des glaces : AAL < 0 et AB tend vers zéro C.Grigné - UE Terre Profonde 176 Anomalie de Bouguer de la France C.Grigné - UE Terre Profonde 177 Anomalie de Bouguer de la France C.Grigné - UE Terre Profonde 177 Anomalie de Bouguer de la France Faible déficit Fort déficit Excès Fort déficit C.Grigné - UE Terre Profonde Excès 177 Anomalie de Bouguer de la France • Fort déficit dans les Alpes Pyrénées : épaississement de la croûte Faible déficit Fort déficit et • Excès de masse dans le Golfe de Gascogne et le Golfe du Lion : amincissement de la croûte Excès Fort déficit C.Grigné - UE Terre Profonde Excès • Faible déficit vers Massif Central, Vosges et Pays de Bray : position du Moho 178 V - Dynamique du Manteau 1) Flux de chaleur 2) Bilan thermique 3) Géotherme 4) Convection thermique C.Grigné - UE Terre Profonde 179 V - Dynamique du manteau ¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par • la tomographie sismique • le géoïde C.Grigné - UE Terre Profonde 180 V - Dynamique du manteau ¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par • la tomographie sismique • le géoïde ¥ Des variations latérales de densité dans un milieu fluide créent des déplacements C.Grigné - UE Terre Profonde 180 V - Dynamique du manteau ¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par • la tomographie sismique • le géoïde ¥ Des variations latérales de densité dans un milieu fluide créent des déplacements ◮ Mouvements dans le manteau, dont la manifestation en surface est la tectonique des plaques C.Grigné - UE Terre Profonde 180 V - Dynamique du manteau ¥ Variations latérales de densité dans le manteau profond vues par • la tomographie sismique • le géoïde ¥ Des variations latérales de densité dans un milieu fluide créent des déplacements ◮ Mouvements dans le manteau, dont la manifestation en surface est la tectonique des plaques ¥ Mouvements très lents (quelques cm par an), dans un milieu très visqueux C.Grigné - UE Terre Profonde 180 V - 1 Flux de chaleur dT ¥ Gradient thermique en surface mesuré par des forages : dz ∼30 K pour 1 km C.Grigné - UE Terre Profonde 181 V - 1 Flux de chaleur dT ¥ Gradient thermique en surface mesuré par des forages : dz ∼30 K pour 1 km dT dz k : conductivité thermique (W.m−1 .K −1 ) ¥ Flux de chaleur : q = k q : W.m−2 C.Grigné - UE Terre Profonde 181 V - 1 Flux de chaleur dT ¥ Gradient thermique en surface mesuré par des forages : dz ∼30 K pour 1 km dT dz k : conductivité thermique (W.m−1 .K −1 ) ¥ Flux de chaleur : q = k q : W.m−2 C.Grigné - UE Terre Profonde 181 V - 1 Flux de chaleur ¥ Flux de chaleur important au niveau des dorsales et des chaînes de montagne récentes ¥ Valeurs les plus faibles au-dessus des cratons anciens et des vieux fonds océaniques ¥ Distribution complexe du flux de chaleur au-dessus des continents : dépend de l’âge de la croûte, de la concentration en éléments radioactifs, de l’épaisseur de la croûte... ¥ Distribution simple au niveau océanique : refroidissement en fonction de l’âge de la lithosphère ◮ Flux océanique modélisé par un refroidissement par conduction C.Grigné - UE Terre Profonde 182 V - 1 Flux de chaleur océanique ¥ Equation de la chaleur pour la conduction : ∂2T ∂T =k ρCp ∂t ∂z 2 8 −3 > > < ρ : masse volumique (kg.m ) Cp : capacité calorifique (J.K −1 .kg −1 ) > > : k : conductivité thermique (W.K −1 .m−1 ) C.Grigné - UE Terre Profonde 183 V - 1 Flux de chaleur océanique ¥ Equation de la chaleur pour la conduction : ∂2T ∂T =k ρCp ∂t ∂z 2 ¥ En 8 −3 > > < ρ : masse volumique (kg.m ) Cp : capacité calorifique (J.K −1 .kg −1 ) > > : k : conductivité thermique (W.K −1 .m−1 ) considérant que la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , la distance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancher océanique. C.Grigné - UE Terre Profonde 183 V - 1 Flux de chaleur océanique ¥ Equation de la chaleur pour la conduction : ∂2T ∂T =k ρCp ∂t ∂z 2 8 −3 > > < ρ : masse volumique (kg.m ) Cp : capacité calorifique (J.K −1 .kg −1 ) > > : k : conductivité thermique (W.K −1 .m−1 ) ¥ En considérant que la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , la distance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancher océanique. ¥ L’équation ci-dessus permet de calculer un gradient thermique à la position x !1/2 !1/2 ρCp U dT ρCp = (Ti − T0 ) (ou à l’âge t) tel que = (Ti − T0 ) dz πk x πk t 8 < Ti : température à la base de la lithosphère(∼ 1300◦ C) : T0 : température en surface(∼ 0◦ C) C.Grigné - UE Terre Profonde 183 V - 1 Flux de chaleur océanique ¥ Equation de la chaleur pour la conduction : ¥ En Flux de chaleur, mW.m−2 140 ∂2T ∂T =k ρCp ∂t ∂z 2 120 8 −3 100> > < ρ : masse volumique (kg.m ) Cp : capacité calorifique (J.K −1 .kg −1 ) > : 80> k : conductivité thermique (W.K −1 .m−1 ) considérant que 60 la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , la distance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancher 40 océanique. ¥ L’équation ci-dessus thermique à la position x 20 permet de calculer un gradient !1/2 !1/2 ρCp U dT ρCp = (T (ou à l’âge t) tel que = (T i − T0 ) i − T0 ) 0 dz πk x πk t 0 1000 2000 3000 4000 8 Distance à la ride, km < Ti : température à la base de la lithosphère(∼ 1300◦ C) : T0 : température en surface(∼ 0◦ C) C.Grigné - UE Terre Profonde 183 V - 1 Flux de chaleur océanique ¥ Equation de la chaleur pour la conduction : ¥ En Flux de chaleur, mW.m−2 140 ∂2T ∂T =k ρCp ∂t ∂z 2 120 8 −3 100> > < ρ : masse volumique (kg.m ) Cp : capacité calorifique (J.K −1 .kg −1 ) > : 80> k : conductivité thermique (W.K −1 .m−1 ) considérant que 60 la plaque océanique se déplace avec une vitesse U , la distance x par rapport à la dorsale est x = U t, où t est l’âge du plancher 40 océanique. ¥ L’équation ci-dessus thermique à la position x 20 permet de calculer un gradient !1/2 !1/2 ρCp U dT ρCp = (T (ou à l’âge t) tel que = (T i − T0 ) i − T0 ) 0 dz πk x πk t 0 40 80 120 160 8 Age, Ma < Ti : température à la base de la lithosphère(∼ 1300◦ C) : T0 : température en surface(∼ 0◦ C) C.Grigné - UE Terre Profonde 183 V - 1 Flux de chaleur ¥ Flux de chaleur océanique facile à modéliser, pour des âges jusqu’à ∼80 Ma 1 (varie en p ) âge ◮ Flux de chaleur moyen océanique : proche de 100 mW.m−2 ¥ Flux de chaleur continental : plus variable, mais en moyenne proche de 55 mW.m−2 C.Grigné - UE Terre Profonde 184 V - 1 Flux de chaleur ¥ Flux de chaleur océanique facile à modéliser, pour des âges jusqu’à ∼80 Ma 1 (varie en p ) âge ◮ Flux de chaleur moyen océanique : proche de 100 mW.m−2 ¥ Flux de chaleur continental : plus variable, mais en moyenne proche de 55 mW.m−2 • Le flux à la surface des continents est lié en grande partie aux éléments radioactifs présents dans les continents • Le flux de chaleur venant du manteau à la base des continents est faible : 10-15 mW.m−2 C.Grigné - UE Terre Profonde 184 V - 1 Flux de chaleur ¥ Flux de chaleur océanique facile à modéliser, pour des âges jusqu’à ∼80 Ma 1 (varie en p ) âge ◮ Flux de chaleur moyen océanique : proche de 100 mW.m−2 ¥ Flux de chaleur continental : plus variable, mais en moyenne proche de 55 mW.m−2 • Le flux à la surface des continents est lié en grande partie aux éléments radioactifs présents dans les continents • Le flux de chaleur venant du manteau à la base des continents est faible : 10-15 mW.m−2 ◮ Perte totale de chaleur de la Terre : 4.2 × 1013 W = 42 TW (le soleil dégage 7.1 × 1017 W) C.Grigné - UE Terre Profonde 184 V - 2 Bilan thermique 42 TW 12 TW 30 TW 100 mW/m 50−60 mW/m 2 6−7 TW origine radioact.: 14−15 TW 10−15 mW/m 2 chaleur primordiale : 20 TW C.Grigné - UE Terre Profonde 185 2 V - 2 Bilan thermique Sur les 42 ± 4 TW : ¥ Au total : 22 TW dûs aux éléments radioactifs (U, Th et K) • 14-15 TW dans le manteau • 6-7 TW dans les continents • Une petite partie dans le noyau ? ¥ Chaleur primodiale due à l’accrétion : 20 TW • Chaleur latente libérée par cristallisation de la graine C.Grigné - UE Terre Profonde 186 Dynamique du manteau 1) Flux de chaleur 2) Bilan thermique 3) Géotherme 4) Convection thermique C.Grigné - UE Terre Profonde 187 V - 3 Géotherme Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre en fonction de la profondeur • Pas d’accès direct à la température en profondeur C.Grigné - UE Terre Profonde 188 V - 3 Géotherme Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre en fonction de la profondeur • Pas d’accès direct à la température en profondeur • Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦ /km • Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphère T≃ 1300◦ C C.Grigné - UE Terre Profonde 188 V - 3 Géotherme Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre en fonction de la profondeur • Pas d’accès direct à la température en profondeur • Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦ /km • Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphère T≃ 1300◦ C • Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage”, donnés par les transitions de phase C.Grigné - UE Terre Profonde 188 V - 3 Géotherme Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre en fonction de la profondeur Ol γ • Pas d’accès direct à la température en profondeur • Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦ /km Ol β • Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphère T≃ 1300◦ C Olivine α gé ot he rm e • Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage”, donnés par les transitions de phase C.Grigné - UE Terre Profonde 188 V - 3 Géotherme Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre en fonction de la profondeur Ol γ • Pas d’accès direct à la température en profondeur • Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦ /km Ol β • Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphère T≃ 1300◦ C Olivine α gé ot he rm e • Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage”, donnés par les transitions de phase C.Grigné - UE Terre Profonde 188 V - 3 Géotherme Définition : Modèle radial de variation de la température dans la Terre en fonction de la profondeur • Pas d’accès direct à la température en profondeur • Par forage, on sait que proche de la surface, la variation est de 30◦ /km • Ce gradient baisse rapidement avec la profondeur : à la base de la lithosphère T≃ 1300◦ C • Pour construire le géotherme, on utilise des “points d’ancrage”, donnés par les transitions de phase ◮ T≃ 1500◦ C à 410 km ◮ T≃ 1650◦ C à 660 km C.Grigné - UE Terre Profonde 188 V - 3 Géotherme Données : Température, C 2000 4000 • Points d’ancrage des transitions 410 660 Profondeur, km Gradient adiabatique 2000 4000 Fusion du 6000 C.Grigné - UE Terre Profonde 6000 • Gradient en surface fer • T augmente avec la pression (gradient adiabatique ≃ 0.3◦ /km) • Noyau doit être liquide • Graine doit être solide 189 V - 3 Géotherme Température, C 2000 4000 6000 410 660 Profondeur, km Gradient adiabatique 2000 4000 Fusion du 6000 C.Grigné - UE Terre Profonde fer 190 V - 3 Géotherme Température, C 2000 4000 6000 410 660 Profondeur, km Gradient adiabatique 2000 4000 Fusion du 6000 C.Grigné - UE Terre Profonde fer 190 Remarque : Exploitation géothermique Géothermie : Technique qui vise à exploiter la chaleur interne terrestre • Exploitation directe quand il existe des sources chaudes : chauffage urbain, eau chaude courante, thermalisme. Ex.: Chaudes-Aigues, source à 82◦ C • Très basse énergie et basse énergie : aquifères à quelques centaines de mètres de profondeur, utilisation de nappes phréatiques existantes, eau de 30 à 150◦ C → Chauffage. • Haute énergie : eau injectée à grande profondeur, 150 à 350◦ C, sort sous forme vapeur pour alimenter des turbines → Production d’électricité. C.Grigné - UE Terre Profonde 191 Remarque : Exploitation géothermique Géothermie : Technique qui vise à exploiter la chaleur interne terrestre • Exploitation directe quand il existe des sources chaudes : chauffage urbain, eau chaude courante, thermalisme. Ex.: Chaudes-Aigues, source à 82◦ C • Très basse énergie et basse énergie : aquifères à quelques centaines de mètres de profondeur, utilisation de nappes phréatiques existantes, eau de 30 à 150◦ C → Chauffage. • Haute énergie : eau injectée à grande profondeur, 150 à 350◦ C, sort sous forme vapeur pour alimenter des turbines → Production d’électricité. C.Grigné - UE Terre Profonde 191 Remarque : Exploitation géothermique Géothermie : Technique qui vise à exploiter la chaleur interne terrestre • Exploitation directe quand il existe des sources chaudes : chauffage urbain, eau chaude courante, thermalisme. Ex.: Chaudes-Aigues, source à 82◦ C • Très basse énergie et basse énergie : aquifères à quelques centaines de mètres de profondeur, utilisation de nappes phréatiques existantes, eau de 30 à 150◦ C → Chauffage. • Haute énergie : eau injectée à grande profondeur, 150 à 350◦ C, sort sous forme vapeur pour alimenter des turbines → Production d’électricité. C.Grigné - UE Terre Profonde 191
