De la chaleur à la ressource

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De la chaleur à la ressource géothermale
Page de présentation
1. De la chaleur de la Terre.. .............................................................................. 2
1.0 Structure interne du globe
1.1 La chaleur interne
1.1.a Flux interne et flux solaire
1.1.b Radioactivité et refroidissement
1.1.c Le flux de chaleur et ses deux composantes
1.2 Les transferts de chaleur dans la Terre
1.2.a Conduction, convection et géotherme terrestre
1.2.b Variations en conduction thermique
1.2.c Variations en convection thermique
1.2.d Variations dûes à l’advection thermique
2. ...à la ressource géothermale ........................................................................ 9
2.1 Le flux de chaleur continental
2.1.a Mesure du flux de chaleur
2.1.b Causes des variations
2.2 Allure des géothermes du sous-sol
2.2.a Perturbations en surface
2.2.b Perturbations paleoclimatiques
2.2.c Réservoirs de chaleur du sous-sol
2.3 Système géothermal
2.3.a Défintions et classifications
2.3.b Du système à la ressource
3. Références bibliographiques ........................................................................ 15
4. Pages « en savoir plus » :
- Propriétés thermiques des matériaux géologiques
- Des panaches convectifs dans le manteau
- Variations du climat et température du sous-sol

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De la chaleur à la ressource géothermale
Le volcanisme, les tremblements de terre, la formation des montagnes, et la plupart
des phénomènes associés à la tectonique des plaques sont contrôlés par les transferts de
chaleur dans la terre. Notre planète, souvent qualifiée de « machine thermique », est le siège
de processus variés (échanges entre l’atmosphère et la surface, magmatisme dans la
croûte, dorsales et rifts déchirant la lithosphère, courants ascendants de type « panache »
dans le manteau, inversions du champ magnétrique, etc). Parmi ces processus, l’activité
géothermale comme on l’observe en Nouvelle Zélande ou en Italie, représente de façon
spectaculaire l’évacuation de l’énergie géothermique stockée dans le sous-sol.
Toutefois, la chaleur interne de la Terre ne s’évacue pas de façon homogène en
surface. C’est la connaissance du comportement thermique de la croûte terrestre qui a
permis de mieux évaluer les caractéristiques des réservoirs d’énergie. Par exemple, il est
possible d’estimer la durée de vie des systèmes géothermaux, paramètre qui est
indispensable avant toute exploitation. De même, on comprend aujourd’hui pourquoi
certaines régions ne feront jamais l’objet d’exploration géothermique.
Dans certains cas, la chaleur de la Terre est stockée en subsurface (à des
profondeurs accessibles pour l’homme) dans des réservoirs poreux ou fracturés. Il est alors
possible d’utiliser les contrastes de températures pour en retirer les calories nécessaires à la
production de chaleur ou d’électricité. Des étapes préliminaires à l’exploitation géothermique
sont toutefois nécessaires, comme la caractérisation géologique de la ressource
géothermale, ou encore l’évaluation du potentiel géothermique et des besoins économiques.
1. De la chaleur de la Terre...
1.0 Structure interne du globe
Avant de détailler l’origine de la source de chaleur à l’intérieur du globe ou de
préciser les différents modes de transferts de la chaleur, il est nécessaire de rappeler les
principales caractéristiques de la structure interne de la Terre. Un grand nombre d’ouvrages
et de sites internet peuvent être consultés pour plus de détails.
C’est par l’étude des ondes sismiques que l’on a pu caractériser les grandes
discontinuités de la planète et définir les grandes enveloppes de la Terre. La croûte terrestre
est limitée à environ 30 km sous les continents et 6 km sous les océans (comprendre
« croûte océanique »). La limite inférieure de la croûte est appelée discontinuité du Moho. Au
dessous se situe le manteau terrestre, constitué d’un manteau « supérieur » et d’un manteau
« inférieur ». La frontière entre les deux manteaux est appelée la zone de transition et se
situe à 660 km de profondeur. Au dessous du manteau terrestre se trouve le noyau, lui aussi

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divisé en noyau externe, de 2880 à 5150 km de profondeur, et la graine, entre 5150 et 6370
km de profondeur. La discontinuité manteau-noyau est appelée la couche D’’.
Si l’on s’intéresse aux déformations des matériaux terrestres, on distingue la
lithosphère, comprenant la croûte et la partie rigide du manteau terrestre, et la partie
déformable du manteau, appelée asténosphère. Dans la lithosphère, les transferts de
chaleur se produisent par conduction thermique, alors que dans l’asténosphère, la chaleur
s’évacue par convection thermique. Au sein du noyau terrestre, on distingue également la
partie liquide du noyau (le noyau externe) animée de mouvements convectifs de sa partie
solide (graine ou noyau interne).
Enfin, d’autres discontinuités sismiques ont été reconnues, comme la discontinuité à
410 km de profondeur. Toutes ces discontinuités correspondent à des changements de
densité ou de composition des matériaux terrestres, et elles sont pour la plupart associées à
des modifications importantes du régime thermique de notre planète.
Figure 1 : Schéma simplifié de la structure interne du globe.
1.1 La chaleur interne
1.1.a Flux interne et flux solaire
La température à la surface de la Terre est contrôlée par le flux d’énergie apporté par
le rayonnement solaire. Bien que ce flux soit mille fois plus important que la chaleur interne

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de la Terre évacuée en surface, il est réfléchi vers l’atmosphère et ne joue qu’un seul rôle
dans le bilan thermique de notre planète, à savoir le maintien d’une température constante à
la surface. La chaleur du soleil et les variations climatologiques sont à la source des
processus modelant la topographie, mais c’est bien la chaleur interne qui est à la source du
magmatisme, de la tectonique des plaques et de la plupart des phénomènes géologiques.
Les plus grandes crises climatiques qu’auraient subi la planète (comme les grands épisodes
glaciaires d’il y a 500 millions d’années) n’auraient pénétré la surface que sur quelques
kilomètres et sur une courte période de temps, inférieure au million d’année. A l’opposé, la
fusion des roches crustales provoquée par des processus profonds peut donner naissance à
un système volcanique, qui va modifier l’équilibre thermique de l’ensemble de la croûte
pendant plusieurs millions d’années. Ainsi, si la température à la surface du globe reste
constante, autour de 20°C en moyenne, elle augmente régulièrement avec la profondeur,
pour atteindre probablement plus de 6000°C en son centre.
1.1.b Radioactivité et refroidissement
Les mesures de température dans les mines profondes ont montré depuis de début
du 19ème siècle que la température augmente avec la profondeur. En considérant une
augmentation moyenne de 30°C tous les kilomètres, William Thompson (Lord Kelvin) utilisa
la théorie de la conduction thermique pour calculer l’âge de la Terre. Il obtint 65 millions
d’années en considérant que notre planète se refoidit uniquement par conduction. Cet âge
était en contradiction avec les observations géologiques, qui militaient en faveur d’une Terre
âgée de plusieurs centaines de millions d’années. La découverte de la radioactivité (1896) et
son application à la Terre permit alors à Rutherford de préciser que le calcul de Kelvin
ignorait la contribution de la chaleur produite par désintégration radioactive. La présence
d’éléments radioactifs dans les roches terrestres nécessite en effet l’addition d’un terme
supplémentaire dans le bilan thermique de la Terre. Enfin, nous savons aujourd’hui que
l’excès de chaleur interne est évacué par convection thermique (avec mouvement de
matière) et que l’hypothèse de conduction pure n’est pas valide.
La production de chaleur à l’intérieur de la Terre est dûe à la décroissance des
éléments radioactifs comme l’uranium, le thorium et le potassium. Ceux-ci ne sont présents
qu’en très petite quantité dans les roches terrestres (en parties par millions (« ppm ») pour
l’uranium et le thorium, et en pourcent (%) pour le potassium), mais ils contribuent
aujourd’hui jusqu’à près de la moitié du flux de chaleur mesuré en surface. Le flux de chaleur
évacué par la surface terrestre est de 42 terawatts (42 1012 W), et la production de chaleur
interne atteint 20 terawatts. En d’autres termes, la Terre évacue plus de chaleur qu’elle n’en
produit : elle se refoidit. On estime son refroidissement à environ 130 °C par milliard d’année.

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En fait, à cause de la lenteur du mécanisme de diffusion thermique, la Terre perd aujourd’hui
en surface la chaleur qu’elle a produite dans le passé.
1.1.c Le flux de chaleur et ses deux composantes
Le flux de chaleur terrestre évacué à la surface de la Terre est calculé à l’aide du
produit de deux quantités mesurées, le gradient de température et la conductivité thermique.
Le gradient de température (en °C/km) se mesure dans les profondeurs des forages miniers,
et la conductivité thermique (en W/m/°C) se mesure sur des échantillons de roches (des
carottes de forage si possible) représentatives des formations géologiques rencontrées. De
manière générale, ces deux quantités varient peu, et le flux de chaleur terrestre a une
moyenne globale de 80 mW/m². Toutefois, dans certaines régions où des anomalies
thermiques sont présentes, on peut mesurer plusieurs centaines de mW/m². Les régions à
fort potentiel géothermique peuvent évacuer plusieurs milliers de mW/m², comme à Wairakei
en Nouvelle Zélande.
Le flux de chaleur mesuré en surface se décompose en deux parties : la contribution
crustale au flux de chaleur, qui correspond à la production de chaleur à l’intérieur de la
croûte terrestre, et le flux de chaleur mantellique, qui correspond à l’évacuation de la chaleur
du manteau. La croûte océanique ne contenant que très peu d’éléments radioactifs, on
assimile le flux de chaleur océanique à celui du manteau sous-jacent. La contribution
crustale du flux océanique est négligeable, alors qu’elle est importante et variable au sein
des continents. Sous la plupart des continents, et en dehors des anomalies thermiques, le
flux de chaleur mantellique reste faible avec une valeur qui varie peu, comprise entre 10 et
30 mW/m². Cette valeur correspond à une valeur d’équilibre entre la partie profonde du
manteau terrestre qui est en convection thermique, et la croûte continentale où les transferts
de chaleur sont régis par la conduction thermique.
1.2 Les transferts de chaleur dans la Terre
1.2.a Conduction, convection et géotherme terrestre
Au sein de la lithosphère, c’est la conduction thermique qui régule les transferts de
chaleur, alors qu’au sein de l’asténosphère, les transferts se réalisent par mouvement de
matière, c’est-à-dire par convection thermique. Dans le cas de la conduction thermique, la
chaleur se diffuse sans qu’il y ait transfert de masse. A l’échelle d’une seconde, le manteau
terrestre est solide puisqu’il laisse passer les ondes sismiques de cisaillement ; cependant, à
l’échelle des temps géologiques, il se comporte comme un fluide visqueux : ses mouvements
profonds permettent en effet à la chaleur interne de s’évacuer vers la surface. On distingue
également les transferts de chaleur par advection thermique, où des transports de matière à