Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1

Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1
Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
La Terre produit de l'énergie. C'est, avec l'énergie solaire, des sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine.
Comment l’énergie interne de la Terre est-elle devenue une source énergétique d’avenir pour
l’Homme ?
I- La dissipation de la chaleur en surface
De nombreuses manifestations à la surface du globe,
comme les geysers, les sources hydrothermales, les
éruptions volcaniques ou tout simplement les mines
d’exploitation, attestent que la température de la Terre
croît avec la profondeur.
On appelle gradient géothermique l'élévation de
température avec la profondeur. Il est estimé à 3° C
pour 100 m de profondeur. Sa valeur varie beaucoup
en fonction des zones terrestres. Il est faible dans
l'asthénosphère comparativement à ce qui se passe
dans la lithosphère.
Le géotherme est la courbe qui représente les
températures des roches à différentes profondeurs.
Le flux géothermique est la quantité d’énergie thermique dissipée par unité de surface terrestre et par unité de
temps. Doc 2 p 242.
Sa valeur moyenne est de 65 Mw.m-² et est très variable selon le contexte géodynamique. Il est important au
niveau des dorsales, des arcs volcaniques des zones de subduction, des points chauds (géothermie haute énergie)
mais aussi dans des bassins sédimentaires à faible épaisseur de croûte (manteau proche de la surface).
II- L’origine de la chaleur interne de la Terre
P 244
Ce sont les désintégrations d'éléments radioactifs
qui sont la principale origine de la chaleur terrestre.
Ces éléments sont au nombre de 4 principaux, le
potassium 40, le thorium, l'uranium 235 et l'uranium
238.
Ces éléments radioactifs naturels sont emprisonnés
dans les minéraux des roches depuis la formation de la
planète. Leur désintégration a commencé à ce moment-
là, mais c’est un processus très lent et il reste donc
encore beaucoup d’isotopes radioactifs non désintégrés

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dans les profondeurs du globe. Par exemple, la période radioactive (demi-vie) de l’uranium 238 est de 4,5 milliards
d’années : la moitié s’est désintégrée seulement depuis la naissance de la Terre.
La croûte continentale est plus riche en isotopes radioactifs que le manteau et le noyau car ils s’intègrent bien dans
le granite. Cependant, le volume du manteau est tel que c’est lui qui produit le plus de chaleur (70% environ).
III- Le transfert d’énergie thermique au sein de la planète.
A. Les mécanismes de transfert thermique
Doc 3 et 4 p 245
Le transfert de la chaleur de la profondeur vers la surface de la Terre se produit principalement par deux
mécanismes : la conduction et la convection.
- La conduction est le transfert de chaleur par agitation des atomes, de proche en proche, sans déplacement
de matière dans les solides. Cela se traduit par un fort gradient géothermique, la température au sommet
de la LVZ atteint 1300°C entre 10 et 20°C par km.
- La convection est le transfert de chaleur par déplacement de matière, d’une zone chaude peu dense en bas
vers une zone froide plus dense en haut dans les liquides. La matière chaude à tendance à s’élever, puis à
refroidir et à terme cette matière froide plus dense va descendre puis s’échauffer etc. Il se forme alors une
cellule de convection. Le gradient géothermique y est faible, c’est le mode de transfert le plus efficace
depuis des zones chaudes basses vers des zones plus froides au-dessus.
On peut donc affirmer que dans les enveloppes de nature liquide de la planète (manteau inférieur,
noyau externe) la chaleur se propagera par convection alors que dans les enveloppes solides
(lithosphère, noyau interne), ce sera la conduction qui jouera.

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B. La Terre, une machine thermique
Docs p 246-247 et p 232
A l’échelle de la planète, les remontées et les descentes de matériel ne se font pas au même endroit : des cellules
de convection sont ainsi mises en place dans le manteau :
- Du matériel chaud remonte au niveau des dorsales océaniques (flux géothermique important)
- Du matériel froid descend au niveau des zones de subduction (flux géothermique faible des fosses
océaniques).
L’énergie interne est donc transférée par convection de la profondeur vers la surface. Au niveau de la lithosphère,
la chaleur est évacuée par conduction tout comme à l’interface noyau/manteau. La convection, véritable machine
thermique est donc un moyen efficace pour évacuer la chaleur interne de la Terre.
Les points chauds contribuent également à évacuer par convection la chaleur interne de la Terre. Ce sont des
zones caractérisées par un flux géothermique important, dû à la remontée rapide vers la surface de matériel chaud
et peu dense à la limite du manteau et du noyau. Ce matériel entre en fusion au niveau de la lithosphère et vient la
perforer, formant des édifices volcaniques caractéristiques (trapps, alignements insulaires comme Hawaï.)
IV- L’énergie géothermique, ressource énergétique alternative
La géothermie consiste à utiliser la chaleur interne de la Terre pour produire de la chaleur et de l’électricité.
L'utilisation de la géothermie est fondée sur un principe simple : l'eau des aquifères (nappe d’eau
souterraine) plus ou moins profonds se réchauffent du fait de l'existence d’un gradient géothermique
particulier. On peut alors pomper l'eau et récupérer les kW accumulés. On peut alors réinjecter l'eau dans
l'aquifère de façon à ce que la zone soit géologiquement stable et que l'aquifère soit toujours alimenté.
Selon la température de l’eau captée, on distingue plusieurs types de géothermie et à ces différents types de
géothermie correspondent des usages différents :
- La géothermie de très basse énergie qui exploite les aquifères à moins de 100m/température inférieure
à 30°C.
- La géothermie de basse énergie qui exploite des nappes dont la température est comprise entre 30 et
90°C à une profondeur de 1500 à 2500m.
- La géothermie moyenne énergie, qui exploite des nappes dont la température est comprise entre 90 et
150°C, situées à une profondeur d’environ 1000m dans les régions à fort gradient géothermique (zones
volcaniques) ou à grande profondeur (2000 à 4000m) dans des bassins sédimentaires.
- La géothermie haute énergie, qui exploite des aquifères de température supérieure à 150°C ; profondeur
de 1500 à 3000m dans des régions à gradient géothermique élevé. Exemple : zones de subduction, rift,
points chauds
- La géothermie profonde des roches sèches, qui nécessite la création d’un gisement géothermique par
injection d’eau à grande profondeur (3000 à 5000m).
L’énergie géothermique est la 4e source de production d’électricité après l’hydraulique, la biomasse et l’éolien. On
compte actuellement 350 installations géothermiques dans le monde mais leur répartition est très variable. Seules
les régions possédant un gradient géothermique élevé peuvent produire de l’électricité par géothermie.
L’énergie géothermique est une énergie renouvelable : le gradient géothermique de la Terre permet de réchauffer
en permanence les roches et l’eau qui s’infiltre dans les profondeurs. Elle ne produit pas non plus de déchets (peu
de gaz à effet de serre). En outre, le prélèvement d’énergie géothermique par l’Homme ne représente qu’une
infime partie de l’énergie dissipée par la Terre.

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Les différents types d'exploitations géothermiques

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