Enjeux planétaires contemporains : géothermie et
publicité
Séquence 3 Enjeux planétaires contemporains : géothermie et propriétés thermiques de la Terre Objectifs L’étude du flux thermique d’origine interne permettra de comprendre le fonctionnement de la planète Terre mais également de montrer que la géothermie est une source d’énergie renouvelable possible. Sommaire Chapitre 1. Prérequis Chapitre 2. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Synthèse Exercices Séquence 3 – SN02 1 © Cned - Académie en ligne Chapitre 1 Exercice 1 Prérequis Exercice 1 Au début du XXe siècle, Alfred Wegener et la théorie de la dérive des continents Exercice 2 De la dérive des continents à la tectonique des plaques Exercice 3 Des alignements volcaniques qui ne sont pas localisés à des frontières de plaques Exercice 4 Le moteur de la subduction Exercice 5 Le modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère Exercice 6 Les séismes, manifestations de la libération de l’énergie interne de la Terre Exercice 7 La place des énergies renouvelables dans les modes de production d’énergie Au début du XXe siècle, Alfred Wegener et la théorie de la dérive des continents Wegener, en 1912, émet l’hypothèse que les continents étaient autrefois réunis et que la place qu’ils occupent actuellement résulte d’un déplacement latéral à la manière de radeaux. Cependant, ces idées se heurtent au constat d’un état solide de la quasitotalité du globe terrestre établi, à la même époque, par les études sismiques. L’idée de mobilité horizontale est rejetée par l’ensemble de la communauté scientifique. Question Exploiter les documents afin de préciser des arguments sur lesquels s’est appuyé Wegener. Aide Pour chaque document, présenter les observations de Wegener et les interprétations qu’il en a données. Séquence 3 – SN02 3 © Cned - Académie en ligne Document 1 Position actuelle des continents Document 2 La distribution des anciens blocs continentaux Bouclier ouest-africain Bouclier guyanais Bouclier angolais Bouclier tanzanien Bouclier brésilien OCÉAN ATLANTIQUE Bouclier rhodésien La situation géographique actuelle des deux continents montre la distribution des anciens blocs continentaux (boucliers) ayant plus de 2 Ga (milliards d’années). Autour de ces boucliers, les chaînes de montagnes plus récentes ont des âges allant de 450 à 650 Ma. Document 3 Répartition mondiale de quelques espèces animales et végétales fossiles Cynognathus : reptile prédateur terrestre ayant vécu il y a 240 Ma. Mesosaurus : petit reptile de lacs d'eau douce, il y a 260 Ma. Lystrosaurus : reptile terrestre ayant vécu il y a 240 Ma. Glossoptéris : plante terrestre d'il y a 240 Ma. 4 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Document 4 Marques de glaciations Les marques de glaciations datant de –250 Ma indiquent que ces régions ont été recouvertes par une calotte glaciaire. On a aussi repéré le sens d’écoulement des glaces qui s’effectue en périphérie de cette dernière. Sens d'écoulement de la glace Exercice 2 De la dérive des continents à la tectonique des plaques Le modèle de la dérive des continents de Wegener ayant été rejeté, de nouveaux constats en relation avec l’évolution des techniques vont permettre de construire le modèle qui sert actuellement de cadre de raisonnement en géologie. Questions Montrer comment la convergence des observations océanographiques avec les mesures de flux thermique a permis à Hess d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique par accrétion de matériau remontant à l’axe des dorsales, conséquence d’une convection profonde. En quoi la mise en évidence de bandes d’anomalies magnétiques au niveau du plancher océanique, corrélables avec les phénomènes d’inversion des pôles magnétiques (connus depuis le début du siècle), permet-elle d’éprouver cette hypothèse et de calculer des vitesses d’expansion ? Présenter les caractéristiques des trois types de frontières de plaques (géodynamiques, morphologiques, tectoniques (déformations), sismiques, magmatiques). Document 5 L’hypothèse d’une expansion océanique Au début des années 1960, des constats nouveaux ont permis d’avancer l’hypothèse d’une expansion océanique. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, des campagnes d’exploration des fonds sous-marins permettent de mettre en évidence les reliefs sous-marins : dorsales présentant une activité volcanique et sismique constituant une chaîne montagneuse de près de 65 000 km dominant de 2 000 à 3 000 m des plaines abyssales ; Séquence 3 – SN02 5 © Cned - Académie en ligne fosses océaniques : zones les plus profondes des océans caractérisées par une intense activité sismique ; zones de fractures au niveau des dorsales. On a également montré à cette époque que : la croûte océanique était de faible épaisseur et composée de roches basaltiques tandis que les continents sont composés de granite ; le flux de chaleur océanique est plus élevé au niveau des dorsales et diminue progressivement en s’éloignant de ces dorsales. H. Hess (1962) pense que le manteau terrestre est affecté de mouvements de convection. Les dorsales mettent en évidence des mouvements ascendants et les fosses océaniques des mouvements descendants : la croûte océanique est continuellement créée par accrétion de matériau au niveau des dorsales, entraînée ensuite à la surface des cellules de convection. Elle finit par atteindre les fosses où elle disparaît dans le manteau. F. Vine et D. Matthews (1963) mettent en évidence des anomalies magnétiques qui sont symétriques par rapport à l’axe des dorsales océaniques. L’hypothèse de l’expansion océanique est confirmée et il devient possible de calculer des vitesses d’expansion. J. Oliver et B. Isacks (1967) interprètent le plan de Benioff-Wadati comme étant la trace de la lithosphère océanique retournant dans l’asthénosphère. Ces lieux de disparition de la lithosphère océanique seront appelés par la suite zones de subduction. Document 6 Un premier modèle global : une lithosphère découpée en plaques J. Morgan (1967), D. McKenzie (1967) et X. Le Pichon (1968) proposent que la lithosphère est découpée en plaques rigides, peu déformables sauf aux frontières, se déplaçant les unes par rapport aux autres sur l’asthénosphère. Les frontières sont déterminées à partir de l’activité tectonique. Hesse et Vine (1968) utilisent le terme de tectonique des plaques. Les géologues ont ensuite cherché à expliquer les différentes structures géologiques de la Terre en raisonnant dans le cadre de ce modèle. Exercice 3 Des alignements volcaniques qui ne sont pas localisés à des frontières de plaques Dans l’océan Pacifique, l’archipel de la Société constitue un alignement d’îles volcaniques qui s’étend du sud-est au nord-ouest sur plus de 500 km, depuis l’îlot de Mehetia jusqu’à l’atoll de Scilly. Question 6 © Cned - Académie en ligne Montrer que les alignements volcaniques des îles de la Société, situés en domaine océanique, et dont la position ne correspond pas à des frontières de plaques, sont la trace du déplacement de la plaque pacifique au-dessus d’un point chaud fixe, situé dans le manteau. Séquence 3 – SN02 Aide Ne pas oublier de dire comment ces observations s’intègrent dans le modèle de la tectonique des plaques. Document 7 Les îles de la Société Terres émergées - 1500 m - 3000 m - 4000 m Document 8 Exercice 4 100 km 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Mehetia Tahiti iti Tahiti nui Moorea Tetiaroa Maiao Huahine Raiatea Tahaa Bora Bora Tupai Maupiti Mopetia Scilly Bellinghausen Datation des formations volcaniques de ces îles, par une méthode de chronologie absolue Îles Distance à Mehetia (km) Âge en MA Mehetia 0 0,2 Tahiti Iti 145 0,4 Tahiti Nui (grande île) 180 1 Moorea 230 1,5 Huahine 368 2,1 Raiatea 400 2,4 Tahaa 425 2,9 Bora bora 458 3,2 Maupiti 495 4,3 Le moteur de la subduction Question Présenter en quoi les modifications subies par la lithosphère océanique à partir de sa formation à l’axe des dorsales et lors de la subduction permettent d’expliquer la subduction et son entretien. Exercice 5 Le modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère Question Annoter le document représentant un modèle de la structure du globe et de la dynamique de la lithosphère en faisant figurer des légendes se rapportant : aux enveloppes terrestres : croûte océanique et croûte continentale, manteau lithosphérique, lithosphères continentale et océanique, manteau, noyau externe, noyau interne ; Séquence 3 – SN02 7 © Cned - Académie en ligne aux grandes discontinuités : discontinuités de Mohorovicic (Moho), de Gutenberg (2 900 km) et de Lehman (5 100 km) ; à la géodynamique : zones de divergence (dorsales, rift continental tel le rift est africain), zones de convergence (subduction océanique, subduction continentale, collision), point chaud ; au magmatisme : magmatisme de dorsale, de subduction et de point chaud. Figurer les mouvements par des flèches. Aide Il est possible de placer un certain nombre de légendes sous la forme de cartouches afin d’obtenir une production claire. Document 9 Localisation de la coupe présentée dans le document Trait de coupe Dorsales Zones de convergences Mouvements relatifs des plaques Document 10 Modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère L’épaisseur de la lithosphère est très exagérée sur le schéma. Inde Tibet Afrique Japon Océan Atlantique Amérique du Sud Exercice 6 Océan Pacifique Volcans Les séismes, manifestations de la libération de l’énergie interne de la Terre La Terre est une planète active. Sa lithosphère est l’objet de séismes en relation avec la dynamique des plaques. 8 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Il s’agit de montrer que les séismes correspondent à des libérations d’énergie en relation avec la dynamique des plaques lithosphériques. Questions Les questions suivantes doivent permettre de répondre à ce problème. Utiliser le logiciel Tectoglob pour afficher l’ensemble des séismes et préciser leur répartition en liaison avec les contextes géodynamiques. Utiliser le logiciel Tectoglob et le document 14 présentant le séisme de Sendai, afin de montrer qu’il s’est produit dans un contexte géodynamique de subduction (afficher les vecteurs GPS de déplacement des plaques, effectuer une coupe sur laquelle ce séisme sera reporté de façon approximative, ne pas oublier de l’annoter). Annoter le document 11 à l’aide des termes figurés en vert dans le document 12. Document 11 Exploiter les documents 12, 13 et 14 afin de donner, sous la forme d’une séquence fléchée (relation cause–conséquence), les événements qui se sont succédé dans la région de Sendai. Construire un plan scientifique (introduction posant le problème à résoudre, paragraphes présentant un titre scientifique, conclusion) afin de montrer que les séismes correspondent à des libérations d’énergie en relation avec la dynamique des plaques lithosphériques : faire correspondre à chaque paragraphe du plan le travail effectué lors des réponses aux questions précédentes. Document 12 Les séismes ou tremblements de terre Un séisme est provoqué par la rupture brutale des roches de la lithosphère en profondeur, en une zone ponctuelle, le foyer situé à la verticale de l’épicentre, projection à la surface de la Terre de la position du séisme en profondeur. Devant les contraintes imposées par le mouvement des plaques, les roches de la lithosphère se déforment de façon élastique jusqu’à un point de rupture au-delà duquel elles cassent brutalement le long d’une faille. L’énergie élastique accumulée est alors libérée. Cette rupture au Séquence 3 – SN02 9 © Cned - Académie en ligne niveau du foyer du séisme est accompagnée d’un déplacement de deux compartiments rocheux l’un par rapport à l’autre, de telle sorte qu’il y a dissipation d’énergie, d’une part sous forme de chaleur obtenue par frottement, et d’autre part sous forme de vibrations, les ondes sismiques, qui se propagent dans toutes les directions à partir du foyer. Des stations sismiques situées à la surface de la Terre enregistrent les ondes qui leur parviennent depuis le foyer sismique. Les ondes sismiques peuvent entraîner en surface la dégradation ou la ruine des bâtiments, des décalages de la surface du sol de part et d’autre de failles, mais peuvent également provoquer des phénomènes tels que des glissements de terrain, des chutes de blocs, des avalanches ou des tsunamis. Autre ressource pour des informations complémentaires : L’École et observatoire des sciences de la Terre de Strasbourg : taper dans un moteur de recherche « eost, séismes ». Document 13 La magnitude d’un séisme La magnitude (M) est une mesure de l’énergie rayonnée à partir du foyer du séisme sous forme d’ondes sismiques. L’échelle de Richter est une échelle de référence qui évalue l’énergie des séismes par la valeur de la magnitude. Des calculs permettent d’établir une correspondance entre magnitude d’un séisme et énergie libérée. Si l’on prend le séisme de magnitude 7 du 12 janvier 2010 à Haïti (M = 7) comme référence, le séisme du Sichuan de mai 2008 (M = 7,9) est 22,4 fois plus énergétique, le séisme du 27 février 2010 au Chili (M = 8,8) l’est 500 fois plus et le séisme « record » de 1960 au Chili (M = 9,5) 5 600 fois plus. Document 14 Le séisme de Sendai (Japon) de mars 2011 Localisation de l’épicentre Foyer Magnitude 130 km au large de Sendai situé au nord-est de l'île de Honshu, au Japon (latitude 38°32’ N et longitude 142°36’ E). 30 km de profondeur 9,0 Il est 1000 fois plus énergétique que le séisme d'Haïti de magnitude 7. Contexte géodynamique Plaque pacifique en subduction sous le Japon. Type de déplacement ayant affecté la litho- Chevauchement : mouvement inverse selon un plan sphère océanique de la plaque pacifique présentant une pente faible. Les dégâts ont été modérés à lourds même sur des structures résistantes, construites suivant les normes parasisDestructions au niveau du Japon miques en vigueur au Japon. De nombreux immeubles ne se sont pas effondrés bien qu’ils aient « bougé ». Il est à l’origine d’une brutale modification de la topoNaissance d’un tsunami graphie du fond océanique qui a généré un tsunami, c’est-à-dire une vague qui se propage dans l’océan. 10 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Autre ressource pour des informations complémentaires : le site Planet-Terre, site de ressources géologiques : taper dans un moteur de recherche « planet terre séisme de Sendai ». Exercice 7 La place des énergies renouvelables dans les modes de production d’énergie Un des enjeux planétaires actuel est l’énergie. Face à la croissance démographique et aux besoins énergétiques qui l’accompagnent, il devient urgent d’utiliser des ressources énergétiques rapidement renouvelables. Questions Montrer qu’utiliser l’énergie de la biomasse, des vents, des courants marins, des barrages hydroélectriques, revient à utiliser indirectement de l’énergie solaire. Indiquer quelles sont les deux sources à l’origine des énergies renou- velables. Visualiser, sous la forme de graphique en secteurs, les parts en pour- centage des différentes sources d’énergie figurant dans les documents 15 à 18. Comparer les parts des différentes sources d’énergie du monde et de la France. Document 15 Part des différentes sources d’énergie dans la production d’électricité en France en 2009 (d’après Statistiques de l’énergie électrique en France, juin 2010) Source d’énergie Thermique à flamme (combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz) Nucléaire Énergie renouvelable : hydraulique Autres énergies renouvelables dont la géothermie Part en % Part en TWh Évolution par rapport à 2008 en % 10,6 54,9 +3,2 75,1 11,9 390 61,8 –6,8 –9 2,4 12,3 +27,2 TWh = Térawattheure : le wattheure est l’unité de mesure d’énergie correspondant à la quantité produite en 1 heure par une machine d’un watt. Séquence 3 – SN02 11 © Cned - Académie en ligne Document 16 Document 17 Part des différentes sources d’énergie dans la production d’électricité dans le monde en 2009 (d’après Observ’ER/EDF 2010, chiffres de production 2009) Source d’énergie Part en % Part en TWh Thermique à flamme Nucléaire Énergie renouvelable : hydraulique Autres énergies renouvelables dont la géothermie 64,4 13,5 16,1 13452 2696 3214 Évolution par rapport à 2008 en % –1,6 –1,3 –0,9 3 596 +12,5 Part des différentes sources d’énergie renouvelables dans la production d’électricité en France en 2008 (d’après Observ’ER/EDF 2009, chiffres de production 2008) Source d’énergie renouvelable Solaire (panneaux photovoltaïques) Hydraulique Éolien Énergies marines Biomasse Géothermie Document 18 Solaire Hydraulique Éolien Énergies marines Biomasse Géothermie © Cned - Académie en ligne Part en TWh Évolution par rapport à 2007 en % 0,1 0,062 +77,1 85,8 7,6 0,7 5,7 0,1 65 5,8 0,51 4,3 0,089 +9,7 +40,3 –1,2 +4,8 –6,3 Part des différentes sources d’énergie renouvelables dans la production d’électricité dans le monde en 2009 (d’après Observ’ER/EDF 2010, chiffres de production 2009) Source d’énergie renouvelable 12 Part en % Séquence 3 – SN02 Part en % 0,6 84,3 7 0,01 6,3 1,7 Évolution Part en TWh par rapport à 2007 en % 21,4 +68 3213,9 –0,9 268,2 +22,1 0,52 –4 241,2 4,3 65 –O,9 Chapitre 2 A Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Pour débuter Le globe terrestre reçoit de l’énergie externe, l’énergie solaire, et il est lui-même une source d’énergie. En effet, les séismes, les éruptions volcaniques et le déplacement des plaques lithosphériques sont des manifestations de la dissipation de l’énergie interne de la Terre. Document 1 Modèle présentant les principales plaques lithosphériques et les points chauds Ce document de référence permettra de localiser les différentes zones étudiées au cours de la séquence 7. Fosse des Fosse des Aléoutiennes 6.2 Kouriles 8.5 Fosse du Japon 5.4 9 9.4 10.6 Fosse des Marianes 12.2 5.7 <HOORZVWRQH 5.7 2 Plaque du Pacifique +DZDL 10.3 15.1 16.6 Fosse de 17.1 Tonga 7.2 4.4 Fosse de Kermadec 6.9 9.9 8.2 6.3 2.1 2.3 8.3 7.4 10.9 Plaque de l'Australie 1.8 ,VODQGH Plaque de l'Amérique du Nord 5.4 Plaque de l'Antartique 6.7 Co Ca Plaque de l'Eurasie 2.5 $oRUHV 2.5 2.7 2.5 0.7 1.5 1.9 3.3 5.8 2.5 2 3.7 3.7 Fosse du 3.9 Plaque de Pérou 9.2 l'Afrique Plaque de 9.2 3.9 Nazca Fosse du Plaque de 3.5 6.7 Chili l'Amérique du 3.1 Sud 1.6 1.6 9.1 1.7 Ca Co 4.1 1.6 1.6 5.1 6.7 7.2 7.5 Plaque des caraïbes Mouvements relatifs de divergence Plaque des cocos Mouvements relatifs de convergence Les principaux points chauds à l’origine d’un volcanisme intraplaque ou associé à celui de dorsales ont été figurés en vert. Ce document doit être mis en relation avec le document 10 « Modèle de la structure de la Terre et de la dynamique de la lithosphère » du chapitre 1 et son corrigé. Document 2 Le flux géothermique en mW.m–2 à l’échelle du globe Le flux géothermique est la quantité de chaleur dégagée en surface du globe par unité de temps et par unité de surface. Séquence 3 – SN02 13 © Cned - Académie en ligne flux géothermique 20 Document 3 50 100 200 2 300 (mW/m ) L’Islande, une île dont plus de 70 % de la consommation d’énergie proviennent de ses ressources énergétiques hydroélectriques et géothermiques Les ressources énergétiques de l’Islande proviennent de deux sources naturelles principales : les précipitations, pour l’hydroélectricité, et les sources chaudes liées à l’activité volcanique, pour la géothermie. L’Islande est une île où on peut observer les effets du fonctionnement d’une dorsale océanique et ceux d’un panache mantellique (point chaud). En Islande, plusieurs régions de l’île présentent des manifestations hydrothermales : geysers, piscines naturelles très chaudes (jusqu’à 80 °C)… et plus de 85 % des habitations de l’île sont chauffées par géothermie. Un cinquième de l’énergie géothermique est utilisé pour les chauffage des serres de culture, la pisciculture, le déneigement des trottoirs en hiver et les activités de loisirs. Document 4 L’exploitation géothermique de Bouillante en Guadeloupe Bouillante est localisée sur la côte ouest de l’île de Basse-Terre. Montserrat la Soufrière Océan Atlantique Faille de MontserratMarie Galante Mer des Caraïbes Grande Basse Terre Terre Bouillante Marie-Galante Soufrière Volcans actifs Volcans sous-marins Volcans de la chaîne de Bouillante (1 000 000 à récent) Les Saintes La région présente en surface de nombreuses sources chaudes. Les petits volcans de la chaîne de Bouillante (volcanisme de moins de 1 million d’années) sont probablement à l’origine de l’anomalie géothermique observée. 14 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 (0.84 Ma) (0.6 Ma) (1.12 Ma) (0.6 Ma) Baie de Bouillante Bouillante Mer des Caraïbes Principaux couloirs de failles Sources chaudes non daté Édifices volcaniques récents (âge en millions d'années) non daté Des failles sont responsables de la perméabilité et de la circulation de fluides en profondeur. L’eau de pluie et l’eau de mer s’infiltrent grâce aux failles et fissures présentes dans les roches et se réchauffent au contact des roches chaudes jusqu’à 250 °C environ. Le réservoir géothermique serait situé sous la baie de Bouillante. Seule une portion du réservoir est exploitée aujourd’hui grâce aux puits forés dans la zone sud de Bouillante. Les forages (Bo1 à Bo7) recoupent ces zones de failles et prélèvent le fluide géothermal à température élevée pour la production de vapeur qui est utilisée dans les turbines afin de produire de l’électricité. Pompage d'eau chaude Infiltration des eaux de pluie Infiltration de l'eau de mer Réservoir fracturé Questions 250 C Exploiter les documents afin de montrer : que la Terre produit de la chaleur qui est évacuée de façon inégale en surface ; qu’il est possible d’établir ainsi un lien entre cette énergie interne et des phénomènes, en relation avec la tectonique des plaques, observables au niveau de la lithosphère. Séquence 3 – SN02 15 © Cned - Académie en ligne Aide Pour chaque document, relever les observations en relation avec la question à résoudre. La Terre produit de la chaleur qui est évacuée de façon inégale en surface. Établir ainsi un lien entre cette énergie interne et des phénomènes, en relation avec la tectonique des plaques, observables au niveau de la lithosphère. Document 1… Document 4 Faire un bilan. Montrer qu’une exploitation géothermique dépend à la fois de l’éner- gie solaire et de l’énergie thermique de la Terre. L’observation des manifestations volcaniques et hydrothermales ainsi que l’utilisation de l’énergie géothermique constituent des faits montrant qu’il existe une chaleur interne. ➥ Quelle est l’origine du flux thermique permanent observé au niveau de la surface de la Terre ? ➥ Comment s’effectuent les transferts de chaleur à l’intérieur de la planète ? ➥ Comment ces transferts d’énergie permettent-ils les mouvements des plaques ? ➥ Comment exploiter cette ressource énergétique renouvelable ? B Cours L’étude du flux thermique d’origine interne doit non seulement permettre de comprendre le fonctionnement global de la planète, mais aussi montrer que la géothermie est une source d’énergie renouvelable possible. 1. Le flux thermique interne de la Terre Le volcanisme et l’activité sismique sont des manifestations témoignant de la libération à la surface de la Terre d’une énergie interne. Cependant, elles ne représentent à elles seules que 1TW (1 térawatt = 1012 Watts) alors que les roches de la lithosphère transfèrent de la chaleur qui correspond à un flux thermique dont la puissance est estimée à 43–44 TW. Cette énergie totale dégagée par la Terre est environ 10 000 fois infé- 16 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 rieure à l’énergie solaire incidente, donc totalement négligeable dans le bilan énergétique global de la planète. a) Flux et gradient géothermiques Activité 1 Mettre en relation les variations du flux géothermique en surface avec celles du gradient géothermique en profondeur Document 5 Le flux géothermique en mW.m–2 Dans la lithosphère, la chaleur se propage par diffusion à travers les roches solides, des roches profondes les plus chaudes vers les roches superficielles les plus froides. Cette diffusion de chaleur qualifiée également de conduction est fonction du gradient de température. à l’échelle du globe (voir document 2) ; La planète libère en moyenne 60 mW/m2 (les valeurs sont comprises entre 20 et 250 mW/m2). en France. Flux > 100 60 < Flux < 100 Flux < 60 Flux thermique (mW/m2) Document 6 Le gradient géothermique Le gradient géothermique correspond à la variation de température entre deux profondeurs. Il mesure par conséquent la variation de température en fonction de la profondeur. Document 6a L’augmentation de la température dans les exploitations minières souterraines Dans le fossé rhénan, au niveau de la région de Mulhouse, le minerai contenant des sels de potassium, appelé potasse d’Alsace, a été exploitée de 1904 à 2002. Dans ces mines, la température augmente environ de 4 °C tous les 100 m. À 1 000 m de profondeur, la température est de 55 °C au lieu de 35 °C dans d’autres mines. Séquence 3 – SN02 17 © Cned - Académie en ligne Document 6b Le géotherme dans la lithosphère Lors de forages réalisés dans les premiers kilomètres de la lithosphère, on peut calculer le gradient géothermique, c’est-à-dire le coefficient reliant la température et la profondeur. Le gradient géothermique vaut environ 3 °C pour 100 m (les valeurs sont comprises entre 1 °C pour 100 m et 5 à 10 °C pour 100 m). Les données sismiques ont permis d’autre part de déterminer que l’isotherme 1300 °C, qui marque la limite lithosphère-asthénosphère, correspond à une profondeur à laquelle les matériaux du manteau supérieur deviennent ductiles c’est-à-dire déformables tout en restant solides. Températures (°C) 0 1000 2000 Géotherme de zone de subduction 2.5 80 5 160 Géotherme continental moyen Géotherme océanique moyen Géotherme sous une dorsale 7.5 240 Pression (Gpa) Géotherme de point chaud Profondeur (km) Le géotherme de zone de subduction correspond aux variations de température en fonction de la profondeur dans la plaque chevauchante. Document 6c Le géotherme visualisant la structure thermique de la Terre On peut représenter la structure thermique de la Terre en établissant la courbe de la variation de la température moyenne en fonction de la distance au centre de la Terre. Les scientifiques ont calculé cette courbe idéale appelée géotherme. Cependant, elle n’est pas indépendante du modèle considéré car, pour l’établir, il faut savoir par quel mécanisme la chaleur est transportée à l’intérieur de la planète. Le gradient de température calculé est de 0,3 °C.km–1 dans le manteau et de 0,55 °C.km–1 dans le noyau. Température (° K) 0 1000 2000 3000 100 Profondeur (Km) 670 km 2000 2900 km 4000 5150 km 6000 La température est exprimée en kelvins (K). 18 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 4000 5000 Document 7 Méthode de calcul du flux géothermique D’une part, on évalue la température des roches à différentes profondeurs, ce qui permet de calculer le gradient géothermique. D’autre part, la conductivité thermique des roches, c’est-à-dire la facilité avec laquelle une roche transmet la chaleur, est déterminée en laboratoire. On définit alors le flux géothermique d’un endroit géographique en réalisant le produit suivant : le flux géothermique d’une région = gradient géothermique local w conductivité de la roche La valeur moyenne du flux géothermique est de 0.06 W.m–² ou J. m–².s–1, ce qui représente un débit d’énergie, c’est-à-dire une puissance. Questions Confronter les données du flux géothermique en France fournies par les documents 2 et 5. Rappeler les relations existant entre les variations de la profondeur de l’isotherme 1300 °C et le contexte géodynamique. Compléter le graphique du document 6c en nommant les différentes enveloppes de la Terre. Comparer le gradient géothermique dans la lithosphère et dans le manteau (document 6). Aide À partir des données du document 6b, effectuer une estimation des différentes valeurs des gradients mesurés au niveau de la lithosphère. Le document 9 peut être utile pour estimer le géotherme de dorsale dans la croûte en formation. Mettre en relation les valeurs trouvées avec le contexte géodynamique. Les comparer avec la valeur qui a été calculée pour le manteau terrestre. À retenir Le flux géothermique correspond au flux thermique qui atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre. La température croît avec la profondeur : c’est le gradient géothermique. Le gradient géothermique dans le manteau est plus faible (de l’ordre de 0,3 °C.km–1) que dans la lithosphère (de l’ordre 10 à 30 °C.km–1). ➥ Peut-on établir une relation entre flux géothermique et contexte géodynamique ? Séquence 3 – SN02 19 © Cned - Académie en ligne b) Variations selon le contexte géodynamique Montrer que le flux et le gradient géothermique varient selon le contexte géodynamique Document 8 Flux thermique le long d’une coupe Japon-cordillère des Andes dont le relief est figuré Flux de chaleur (mW/m2) Activité 2 Flux de chaleur moyen à la surface de la Terre 140 100 60 20 JAPON Île d'arc insulaire fosse Île intraocéanique volcanique reliefs de dorsale CORDILLIÈRE DES ANDES fosse NO Document 9 SE Des sources hydrothermales de température variable Des sources hydrothermales au voisinage des dorsales Grâce à l’utilisation de submersibles, l’exploration du système de dorsales a permis de découvrir des émissions hydrothermales à très haute température : certaines ont des températures de l’ordre de 350 °C. Ces sites hydrothermaux sont entourés d’organismes vivant ainsi à très grande profondeur dans un environnement sans lumière. Fumeurs noirs H2O H2O 0 5 CO 600° C 10 800° C 15 100 CM zone de réactions hydrothermales 0° C H2O Profondeur (km) FLUIDE HYDROTHERMAL EAU de MER chaud (jusqu'à 350° C) froide (2° C) pauvre en métaux (<<ppb) riche en métaux (>ppm) pas de Mg2+ Mg2+ > 1000 ppm 1300° C Circulation hydrothermale Magma Fractures Mg2+,H3O+ Ca2+,métaux CM : chambre magmatique CO : croûte océanique ppm (part per million ou partie par million) : un millionième (10–6) de gramme. ppb (part per billion ou partie par milliard) : 10–9 gramme. Des sources hydrothermales en domaine continental Le Parc national de Yellowstone aux États Unis (nord-ouest du Wyoming) est situé au niveau d’un point chaud. Il contient deux tiers des geysers de la planète et de très nombreuses sources chaudes. 20 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 L’Old Faithfull est un geyser qui projette à intervalles très réguliers un jet brûlant d’eau à plus de 50 m de hauteur. En France, il existe dans le Massif central des sources d’eaux chaudes comme celle de Chaudes-Aigues à près de 80 °C. Document 10 Exemples d’exploitations géothermiques dans le monde en relation avec le contexte géodynamique Des exploitations correspondant à des frontières de plaques : – au niveau des dorsales, outre l’Islande (49 MW), il en existe également aux Açores (5 MW) et en Californie (2 817 MW) ; – dans les zones de subduction (70 % de l’énergie géothermique actuellement exploitée), telles que les Philippines (1 127 MW), le Japon (414 MW) mais aussi la Guadeloupe, avec la centrale géothermique de Bouillante (15 MW) ; – dans les zones de collision, telle qu’en Toscane (Italie) où, à la phase de collision continentale, a succédé la phase de relâchement à l’origine de la formation de nombreuses failles normales liées à l’extension ; il en a résulté un amincissement de la croûte et une remontée d’asthénosphère responsable d’une anomalie du flux thermique (plus de 1 000 mW.m–2 à Larderello, où les fluides sont constitués de vapeur et de gaz, à une température variant entre 150 °C et 260 °C) et d’un magmatisme crustal. Des exploitations correspondant au domaine intraplaque : – au niveau des points chauds, comme par exemple à Hawaii (25 MW) ; – au niveau de fossé d’effondrement, où des failles profondes associées à un amincissement de la lithosphère favorisent une anomalie thermique positive ; – au niveau des zones stables des plaques, dans des bassins sédimentaires où, parmi les couches géologiques accumulées, certaines sont perméables et vont jouer le rôle d’aquifères qui peuvent être très étendus, ce qui rend le stock de chaleur particulièrement important, comme par exemple en France (337 MW) et aux États-Unis (1874 MW). Document 11 Quelques données géothermiques de trois domaines géologiques Domaines (exemples en France) Bassins sédimentaires (Bassin aquitain, Bassin de Paris) Fossés d’effondrement (Fossé rhénan, Limagne) Zones de subduction (Guadeloupe) au niveau de l’arc volcanique Paramètres Gradient géothermique Température du fluide (°C/100 m) circulant (°C) 1à3 < 100 3 à 10 100 < T < 150 10 à 50 > 150 Séquence 3 – SN02 21 © Cned - Académie en ligne Questions Exploiter les documents 1, 2, 6b et 8 afin de construire un tableau visualisant les différents contextes géodynamiques et leurs caractéristiques (flux thermique, gradient géothermique, morphologie, magmatisme, frontières de plaques et mouvements associés). Le document 9 représente les sources hydrothermales au voisinage des dorsales : expliquer les modifications subies par un gabbro GA lorsqu’il s’éloigne de la dorsale. Préciser ce qu’est un aquifère (document 10). Construire un tableau afin de montrer les relations existant entre le contexte géodynamique, le flux géothermique, le gradient géothermique et la possibilité d’exploitation géothermique (documents 2, 6b, 8, 9, 10 et 11). En conclusion, montrer que les exploitations géothermiques ne sont pas seulement localisées dans des zones où le flux et le gradient géothermique sont importants. À retenir Le flux et le gradient géothermiques varient selon le contexte géodynamique. Le flux est très variable d’une région à l’autre : important à l’aplomb des dorsales océaniques (magmatisme) et des points chauds (magmatisme), faible au niveau de la fosse des zones de subduction mais plus élevé au niveau de la plaque chevauchante (magmatisme), faible en général au-dessus des masses continentales, plus élevé au niveau des planchers océaniques et des rifts continentaux.. Ces variations sont en relation avec la plus ou moins grande proximité en profondeur de matériaux à haute température. Les exploitations géothermiques actuelles sont le plus souvent associées à des zones au flux thermique important associé au magmatisme (zones de dorsales, de subduction, de points chauds), mais aussi à des domaines continentaux présentant des aquifères plus ou moins profonds (bassins sédimentaires, fossé d’effondrement). Les variations du flux géothermique en relation avec le contexte géodynamique suggèrent l’existence d’une chaleur interne à l’origine de la dynamique des plaques lithosphériques. ➥ Quelle est l’origine de la chaleur interne de la Terre ? 22 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 2. L’origine du flux thermique Activité 3 Document 12 Préciser la source principale de chaleur interne Production de chaleur par désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches : 238U, 235U, 232Th, 40K La plus grande partie de la chaleur interne de la Terre provient de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques dont sont formées les roches : en particulier 238U, 235U, 232Th, 40K. Du fait de leurs différences de composition, les roches des différentes enveloppes de la Terre ne contribuent pas de manière équivalente à la libération de chaleur par radioactivité. Ainsi, le potentiel énergétique des granites est 150 fois plus élevé que celui des péridotites et 30 fois plus élevé que celui des basaltes océaniques. Document 13 Une observation permettant de visualiser la radioactivité dans une granodiorite observée au microscope (lumière naturelle w 100) La granodiorite renferme notamment des cristaux de mica noir (biotite). On peut observer inclus dans ces micas de petits minéraux, les zircons, souvent entourés d’une auréole noire due à la désintégration radioactive de U et Th qu’ils contiennent. Séquence 3 – SN02 23 © Cned - Académie en ligne Document 14 Contribution des différentes sources de chaleur de la Terre à la puissance totale libérée en surface Source de chaleur Puissance en térawatts (TW) Radioactivité de la croûte continentale 6 Radioactivité du manteau dont le volume est très important par rapport à celui de la croûte terrestre 20 Radioactivité du noyau 0à1 Chaleur initiale 12,3 Chaleur de différenciation 4,7 Total 43 à 44 La puissance libérée par la croûte océanique est négligée du fait de son faible volume. La chaleur initiale correspond à la libération, par suite du refroidissement des matériaux profonds, de l’énergie accumulée lors de la formation de la Terre. La chaleur de différenciation, quant à elle, est libérée lors de la cristallisation du noyau solide aux dépens du noyau liquide. Questions Exploiter les documents 12 et 14 afin d’expliquer les différences d’énergie libérée par les enveloppes terrestres. Annoter la microphotographie du document 13 à l’aide des informa- tions fournies dans le texte. Effectuer un bilan qui réponde à la question posée : « Quelle est l’ori- gine de la chaleur interne de la Terre ? » À retenir 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. ➥ Comment la chaleur est-elle transférée de l’intérieur de la Terre jusqu’à sa surface ? 3. La convection mantellique, un mode de dissipation de l’énergie interne Les études de propagation des ondes sismiques à l’intérieur du globe montrent que le manteau est totalement solide alors que le noyau externe, lui, est liquide. Il y a longtemps que les scientifiques considèrent que le manteau peut présenter des courants de convection, car 24 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 il y a en surface un flux de chaleur, des mouvements au niveau des plaques lithosphériques et des sorties ponctuelles de magma au niveau des points chauds. Activité 4 Rechercher une relation entre l’existence de zones chaudes et de zones froides à l’intérieur du manteau et la géodynamique de surface La structure thermique du manteau est révélée par la tomographie sismique. Document 15 Carte des anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques Les tomographies suivantes indiquent les anomalies de vitesse de propagation des ondes sismiques à une profondeur donnée (en pourcentage par rapport à la valeur normale). Les deux échelles ne sont pas identiques mais c’est le principe qui importe. Document 15a À 100 km de profondeur +6% 0 -6% Document 15b À 2 850 km de profondeur, à la base du manteau + 2.25 % 0 - 2.25 % Séquence 3 – SN02 25 © Cned - Académie en ligne Document 16 Profil tomographique de la dorsale est-pacifique à l’Amérique du Sud Dorsale Est pacifique 120° long. O. 90° long. O. Amérique du Sud 30° long. O. 60° long. O. 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 Profondeur (km) Questions Anomalie de vitesse (%) -1 0 +1 Exploiter le document 15a afin de montrer qu’il existe une forte corré- lation entre la position des anomalies de vitesse et la géodynamique en surface (document 1). Ne pas oublier de préciser à quoi correspond dans le manteau la profondeur de 100 km. Quelles informations apporte le document 15b sur la structure ther- mique à 2 850 km de profondeur ? Quelle(s) question(s) peut-on se poser suite à ces deux observations ? Quels éléments de réponse apporte le document 16. Activité 5 Préciser les mécanismes qui permettent les transferts de chaleur à l’intérieur du manteau Les scientifiques ont établi que le manteau est solide et déformable. Document 17 Deux modes de dissipation de la chaleur On pose comme hypothèse de départ que la production de chaleur au niveau de zones chaudes est compensée par des pertes d’égale valeur à l’origine de zones froides. Document 17a La conduction : un transfert thermique de type diffusif Dans un corps supposé non déformable, la chaleur se transmet par conduction-diffusion, c’est-à-dire par propagation de proche en proche de vibrations des atomes et des molécules, des zones chaudes vers les zones froides : il n’y a pas de déplacement macroscopique de la matière. Ce mode de transfert n’est pas envisageable pour l’ensemble du globe : les roches, comme par exemple celles du manteau, ne sont pas assez conductrices de la chaleur pour l’intensité du flux observée. 26 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Document 17b La convection : une forme de transfert thermique dans les corps déformables Un modèle analogique de la convection thermique permet de mettre en évidence un certain nombre de notions. On réalise le montage suivant. Zone froide (glaçons) qui absorbe la chaleur Eau Paroi isolante o Plaque chauffante (40°C) qui fournit la chaleur I Un corps déformable se dilate quand sa température augmente et que sa masse volumique devient alors plus faible. Si un corps est chauffé par le bas et refroidi par le haut, la situation est instable, ce qui entraînera la mise en mouvement macroscopique de la matière : la matière froide et dense du haut aura tendance à descendre et la matière chaude et un peu moins dense du bas aura tendance à monter. C’est la convection thermique. Les couches limites thermiques sont des couches minces où s’effectuent les échanges par conduction entre une cellule de convection et les sources chaude et froide. Document 18 Recherche de modèles de transfert de chaleur par convection applicables au fonctionnement de la Terre Le manteau étant considéré comme un corps déformable, plusieurs possibilités où la convection est impliquée sont envisageables. Possibilité 1 Si un corps est chauffé par le bas et refroidi par le haut (zones denses en haut, zones peu denses en bas), la situation est instable : il y a convection thermique. Surface froide Induction Convection Fond chaud Séquence 3 – SN02 27 © Cned - Académie en ligne Possibilité 2 Si un corps est refroidi par le haut, mais n’est pas chauffé par le bas, et qu’il existe un chauffage interne, la matière froide du haut descend de façon active, mais il existe peu de mouvements de remontée ; ces derniers sont passifs car ils compensent ce qui descend. Surface froide Remontée passive CHAUFFAGE INTERNE Fond isolé Possibilité 3 Si un corps est refroidi par le haut, un peu chauffé par le bas et qu’il existe un chauffage interne, la matière froide du haut descend de façon active, les remontées sont surtout passives, mais il peut y avoir un peu de remontées actives. Surface froide Remontée passive CHAUFFAGE INTERNE Descente active Remontée active Fond presque isolé mais chaud Document 18 Modélisation analogique de la convection thermique dans le cas d’un point chaud Il est possible, avec un matériel simple, de réaliser un modèle analogique d’un point chaud. Protocole à suivre Verser 50 mL d’huile de colza (ou autre) dans un bécher (il faut un récipient transparent résistant à la chaleur, de type pyrex), puis ajouter et mélanger 2 g de craie de couleur (verte, rouge…) réduite au préalable en poudre. Placer au réfrigérateur quelque temps : cela facilitera la réalisation de l’étape suivante. Verser délicatement, le long du bord du bécher incliné, 150 à 200 mL d’huile ; elle doit rester en surface. Placer une bougie « chauffe-plat » sous le bécher situé sur un portoir et l’allumer. 28 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Résultats observés Au temps t1 Questions Au temps t2 Au temps t3 Si un corps déformable est refroidi par le bas et chauffé par le haut, que pourra-t-on observer ? Compléter le document 17b à l’aide des informations du texte, en n’oubliant pas de tracer des flèches visualisant les deux mécanismes de transfert d’énergie. Indiquer en quoi ce modèle analogique présente au moins une différence importante par rapport aux conditions correspondant à celles du manteau terrestre. Quelle possibilité présentée dans le document 18 permet de prendre en compte l’ensemble des données des activités 3, 4 et 5. À retenir 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. ➥ Quelle vision globale peut-on présenter actuellement du fonctionnement de la Terre ? 4. La Terre, machine thermique : une vision actuelle de la tectonique des plaques La dynamique interne de la Terre étant complexe, les modèles proposés sont forcément simplificateurs, car ils ne reflètent que notre conception de son fonctionnement à l’heure actuelle. Ils évolueront en fonction de la découverte de nouvelles données. Séquence 3 – SN02 29 © Cned - Académie en ligne Activité 6 Document 19 Montrer qu’un modèle scientifique est une construction hypothétique et modifiable dépendant de l’évolution des connaissances et des techniques Le modèle proposé par Holmes en 1931 Holmes cherche un mécanisme qui permettrait d’expliquer l’évacuation de la chaleur interne due aux désintégrations radioactives. Il suggère que des mouvements de convection animant le manteau terrestre seraient le moteur de la dérive des continents de Wegener. Il propose une convection dans le manteau analogue à la circulation atmosphérique avec des courants ascendants au niveau de l’équateur et descendants aux pôles. Noyau Manteau Mouvement du manteau Document 20 Le modèle proposé par Hess en 1960 Hess attribue la mobilité des fonds marins à l’existence d’un « double tapis roulant » au niveau des fonds océaniques, les dorsales étant la manifestation en surface des branches ascendantes de cellules de convection et les fosses océaniques, les témoins des branches descendantes. Les continents sont donc entraînés passivement à la surface des cellules de convection. Dorsale Manteau Noyau Roche froide Document 21 Roche Chaude Un modèle global actuel Les modèles actuels de la tectonique des plaques associent les données fournies par les observations de terrains, des expériences au laboratoire, la tomographie sismique et des modélisations, comme celles de la convection mantellique et de la subduction. 30 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Document 21a Profil tomographique du Pacifique à l’Afrique Les nouveautés des modèles actuels sont principalement déduites des données de tomographie sismique. Depth (km) + 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 Séismes Document 21b 20 40 60 80 Distance (deg) 100 120 140 — Profil tomographique au niveau du point chaud d’Hawaï 0° 20° 20°N 670 km Île d’Hawaii Kilauea 19°N 156°W –6 % Document 21c 155°W 0 +6 % 2900 km Un modèle prenant en compte les données connues actuellement Les scientifiques considèrent actuellement que les plaques ne sont pas entraînées passivement à la surface des cellules de convection mantelliques comme sur des tapis roulants, mais qu’elles prennent une part active dans la convection. Le modèle prend en compte un certain nombre de faits qui ne sont pas tous présentés ici : La tomographie sismique montre que les dorsales ne sont observables qu’en surface (il n’y a pas de remontée chaude depuis les profondeurs) et que les subductions s’enfoncent profondément dans le manteau. Les plaques qui subductent ont une vitesse de déplacement rapide (environ 10 cm.an–1) alors que celles qui ne subductent pas ont une vitesse lente (environ 1 cm.an–1). Une dorsale comme la dorsale est-pacifique, associée à des plaques qui subductent, est une dorsale dont la vitesse d’expansion est d’environ 6 à 16 cm.an–1, alors que la dorsale atlantique, qui est associée à des plaques qui ne présentent pas de subduction, a une vitesse d’expansion de l’ordre de 1 à 2 cm.an–1. Séquence 3 – SN02 31 © Cned - Académie en ligne Point chaud Point chaud Croûte continentale Dorsale Croûte océanique Subduction Subduction Manteau lithosphérique Manteau Point chaud ch na pa e Radioactivité (source principale de chaleur interne) Dorsale Dorsale Couche D'' Noyau interne (solide) Noyau externe (liquide) Mouvements de divergence Questions Panache mantellique Manteau Lithosphère (solide) (solide) Mouvements de convergence Volcan de point chaud Volcan de subduction Zone de fusion partielle du manteau Mouvements assurant les transferts d'énergie Relever dans les documents la ou les idées importantes qui ont permis de faire évoluer le modèle du fonctionnement de la Terre de Holmes à nos jours. Aide Faire un tableau présentant l’évolution des idées. Ne pas oublier d’exploiter les profils sismiques du document 21 afin de mettre en relation cette exploitation avec le document 21c. Indiquer les renseignements apportés par la tomographie sismique. Compléter le schéma de l’exer- cice 5 du chapitre 1 en prenant en compte les données du chapitre 2. À retenir La Terre se comporte comme une machine thermique, c’est-à-dire comme un dispositif permettant le passage d’énergie sous forme de chaleur vers une énergie mécanique : la chaleur terrestre est dissipée par la mise en mouvement du manteau solide ou convection. Le modèle actuel insiste sur l’importance des subductions. La lithosphère océanique, au fur et à mesure qu’elle se refroidit en s’éloignant des dorsales, devient plus dense que l’asthénosphère sous-jacente et elle s’enfonce spontanément dans le manteau au niveau des subductions. C’est surtout cette descente spontanée 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. Les dorsales correspondent uniquement à des épanchements passifs superficiels de matière dans un espace laissé libre par la divergence : les remontées convectives qui ont lieu à l’aplomb des dorsales sont à l’origine de la formation de magma qui contribue à l’accrétion océanique. 32 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 5. Une ressource énergétique possible : la géothermie Comme les exemples présentés auparavant dans le chapitre le montrent, l’énergie géothermique utilisable par l’Homme est variable d’un endroit à l’autre. Des exploitations géothermiques sont implantées à proximité de dorsales (Islande), de subductions (Guadeloupe, Japon, Philippines…), de points chauds (Hawaii). Toutes ces zones ont en commun un flux thermique important associé au magmatisme. Cependant, la géothermie a connu ces dernières années un développement dans d’autres zones où le flux de chaleur est faible. ➥ Comment exploite-t-on actuellement cette ressource énergétique et quel intérêt présente-t-elle? Activité 7 Document 22 Préciser les conditions permettant actuellement une exploitation de l’énergie géothermique Les différents types de géothermie La géothermie très basse énergie (température inférieure à 30 °C) ayant recours aux pompes à chaleur. La géothermie basse énergie (température entre 30 et 150 °C). La géothermie moyenne et haute énergie (température supérieure à 150 °C). Géothermie basse énergie Géothermie très basse énergie Utilisation directe de l'eau pour alimenter un chauffage urbain collectif 40° C 20° C 1 Profondeur (km) Utilisation directe de l'eau pour alimenter un chauffage de serres, pisciculture ou piscine La température de l'eau est insuffisante. Nécessité d'utiliser une pompe à chaleur Géothermie profonde La température des roches chaudes fracturées permet de produire de la vapeur pour alimenter une centrale électrique injection d'eau froide prélèvement d'eau sont la température est variable 15° C roche fracturée (exemple : granite) 2 80° C 3 4 200° C 200° C roches sédimentaires (exemple : sables, grès, calcaire) pouvant jouer le rôle d'aquifère 5 Séquence 3 – SN02 33 © Cned - Académie en ligne Document 23 Le cadre géologique des ressources géothermiques en France Bassins sédimentaires Massifs volcaniques Aquifères superficiels Aquifères profonds Aquifères profonds chauds (>70° C) Massifs cristallins Chaînes récentes Source thermale 25° C < T < 80° C Les massifs cristallins et les chaînes récentes ont des aquifères superficiels discontinus. Des sites géothermiques en cours d’étude existent dans le fossé rhénan à Soultz-sous-Forêts, à la Guadeloupe et à la Martinique ainsi qu’à La Réunion. Document 24 La géothermie dans le Bassin de Paris Le Bassin de Paris est un bassin sédimentaire qui comporte cinq grands aquifères dont l’aquifère contenu dans les calcaires du Dogger (Jurassique) qui s’étend sur plus de 15 000 km2, avec des températures variant de 56 à 85 °C. Ce réservoir assure aujourd’hui le fonctionnement de 34 installations géothermales. À Paris, la Maison de Radio-France est chauffée et climatisée à partir d’un prélèvement effectué dans les sables de l’Albien. ANGERS TOURS PARIS ORLEANS MELUN MEAUX REIMS VERDUN METZ OUEST EST Profondeur (m) 0 Isotherme 60° C 2000 3000 Document 25 Sables du Crétacé (dont l'Albien) 1000 Isotherme 100° C Calcaires du Jurassique Grès du Trias La géothermie du futur : le projet de Soultz-sous-Forêts Soultz-sous-Forêts est situé à 50 km au nord-ouest de Strasbourg Le projet de Soultz-sous-Forêts fait partie du projet « roches chaudes fracturées ». La géothermie des roches chaudes sèches est un concept né dans les années 1970 aux États-Unis. Le principe consiste à fragmenter en profondeur, entre 3 000 et 6 000 m, des roches chaudes par injection d’eau sous pression et à créer un échangeur thermique profond. Par la suite, une boucle est établie et l’eau réchauffée au contact des roches chaudes cède son énergie à une unité de surface produisant de l’électricité. 34 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 En théorie, si l’on refroidit linéairement de 20 °C un volume de roche de l’ordre de 1 km3 par circulation d’eau, cela correspond à l’extraction d’une quantité de chaleur équivalente à la combustion de 1,275 million de tonnes de pétrole (environ 15 000 GWh), permettant soit d’alimenter des réseaux de chauffage urbain, soit de produire environ 13 mW électriques pendant vingt ans sur la base d’un rendement de l’ordre de 13 % pour une température moyenne de l’ordre de 190 °C. Document 25a Le cadre géologique Les profondeurs du Moho dans la région de Soultz 30 28 29 30 Soultz-sous-Forêts 24 25 26 27 8 2 29 Frontière Carte géologique simplifiée du fossé rhénan Couverture remplissage tertiaire du graben du Rhin Volcanisme tertiaire Sédiments secondaire antérifts Massif Rhénan Franckfort Mayence Mannheim Bassin de coupe sud Lorraine Soultz-sous-Forêts Strasbourg Socle ancien Vosges Sédiments permocarbonifère Socle paléozolïque Colmar Mulhouse Forêt Noire Bâle 50 km Un graben est un fossé d’effondrement. Séquence 3 – SN02 35 © Cned - Académie en ligne Coupe simplifiée réalisée d’après un profil sismique faille de Saverne Profondeur (km) 0 Fossé Rhénan Sédiments 10 Croûte continentale 20 30 MOHO Croûte continentale déformée et métamorphisée Manteau lithosphérique Document 25b Carte européenne des températures à –5 000 m de profondeur < 60°C 60 – 100°C 100 – 120°C 120 – 140°C 140 – 160°C 160 – 200°C 200 – 240°C Document 25c Le principe de la géothermie à Soultz sous-Forêts 1. Extraction de l’eau chaude du sous-sol par deux puits de production. 2. En surface, transformation par l’intermédiaire d’un échangeur thermique de l’eau chaude en vapeur pour entraîner une turbine productrice d’électricité. 3. Réinjection d’eau refroidie à 5 000 m de profondeur par le puits central. 4. Circulation d’eau dans les fractures et réchauffement au contact de la roche chaude (200 °C). 36 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 injection d'eau froide Profondeur (km) 0 prélèvement d'eau sont la température est variable 1 L'eau dans les fractures 2 Roche fracturée (exemple : granite) 3 Roches sédimentaires Document 25d 4 Zones d'extraction de l'eau chaude 5 Zone d'injection de l'eau froide Le principe de la stimulation hydraulique ESG (Enhanced Geothermal System – Système géothermal amélioré) La chaleur géothermique exploitée ici a pour principale origine la désintégration radioactive des roches profondes : le sous-sol de la région est constitué de roches granitiques fracturées, une géologie favorable à l’exploitation de la chaleur. Le sous-sol du site de Soultz-sous-Forêts est composé de roches fracturées en profondeur, piégeant l’eau de pluie qui véhiculent de la chaleur, ce qui constitue un aquifère naturel. En circulant, l’eau géothermale déplace des particules sédimentaires qui colmatent plus ou moins les failles existantes (1). Pour transformer ces roches en échangeur thermique et connecter les puits ou réservoirs, il faut rouvrir ces fractures. Cette opération est réalisable par injection d’eau sous pression (2). L’eau fait légèrement coulisser les roches le long de ces fractures. En relâchant la pression, les fractures ne sont plus parfaitement imbriquées et laissent l’espace nécessaire pour faire circuler l’eau (3). Des recherches sont effectuées actuellement dans le monde pour exploiter la chaleur des roches à plus de 3 000 m de profondeur, même s’il n’y a pas d’aquifère naturel, en injectant de l’eau sous pression afin de fragmenter en profondeur des roches chaudes Nombreuses obturations de la fracture 1 Eau sous pression 2 Fracture élargie 3 Séquence 3 – SN02 37 © Cned - Académie en ligne Document 25e Des perspectives Si le dispositif confirme ses potentialités, le calcul montre que la mise en exploitation géothermique d’une faible part du sous-sol de l’Alsace (3 % de la surface sur 1 km de hauteur, entre 4,5 et 5,5 km de profondeur) pourrait assurer une production électrique équivalente à celle d’une dizaine de tranches nucléaires. Sur le reste du territoire français, des conditions assez similaires se retrouvent dans le sillon rhodanien et dans la plaine de Limagne avec des potentiels équivalents. Pour des informations complémentaires, il est intéressant de consulter le site « geothermie-perspectives.fr ». Questions Exploiter les documents 4, 8, 9, 10 et ceux de l’activité 7 afin de préci- ser les conditions nécessaires pour qu’il y ait une ressource géothermique exploitable. À partir de l’exploitation du document 4 et de ceux de l’activité 7, compléter le tableau suivant, afin de présenter les différents types de géothermie en France. Type de Caractéristiques Utilisations géothermie du réservoir Exemples en France Contexte géologique (document 23) Les questions suivantes portent sur le projet de Soultz-sous-Forêts (documents 25a, b, c, d et e) : Indiquer quel est l’intérêt de faire de la géothermie profonde. Justifier le choix du site alsacien de Soultz-sous-Forêts. Quel(s) autre(s) site(s) français pourrait-on également exploiter à l’avenir ? Comment peut-on expliquer l’importance du flux géothermique alsacien ? Indiquer quel est le principe de la géothermie profonde et la spécifi- cité du projet de Soultz-sous-Forêts. Aide Les documents exploités doivent être clairement identifiés dans le raisonnement. À retenir Les différentes formes d’énergie géothermique pourront présenter des développements variés selon les régions en fonction de la connaissance géologique de la ressource, de la nature des besoins et du niveau de maîtrise des technologies. 38 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 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. Séquence 3 – SN02 39 © Cned - Académie en ligne Synthèse Géothermie et propriétés thermiques de la Terre L’observation des manifestations volcaniques et hydrothermales ainsi que l’utilisation de l’énergie géothermique constituent des faits montrant qu’il existe une chaleur interne. Le flux et le gradient géothermiques L’émission d’énergie interne est mise en évidence par les mesures du flux de chaleur à la surface de la Terre. Ce flux thermique ou flux géothermique exprime la quantité de chaleur évacuée par unité de surface et unité de temps. Il atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre, il est la manifestation de la dissipation de la chaleur interne de la planète. Le gradient géothermique mesure l’augmentation de la température en fonction de la profondeur. Il est plus élevé dans les couches superficielles du globe et plus faible dans le manteau. Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique. 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. La convection mantellique : un mode de dissipation de l’énergie interne La distribution du flux de chaleur n’étant pas homogène, son organisation (zones à flux très élevé et zones à flux faible) induit l’hypothèse d’un mécanisme dynamique interne à l’origine de la dissipation de chaleur à l’intérieur de la Terre. Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : la conduction et la convection. 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, croûteatmosphère ou hydrosphère). Les roches du manteau, mauvaises conductrices de la chaleur, sont à l’état solide et ont un comportement plastique (ductile) qui permet les déplacements de matière. La chaleur interne est ainsi dissipée par 40 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 convection, mécanisme beaucoup plus efficace, qui correspond à un transfert de chaleur par mouvements de matière au niveau du manteau. Ces mouvements de convection assurent le transport de la chaleur et sa dissipation en surface. La Terre, machine thermique La compréhension du transfert thermique dans la Terre permet de compléter le modèle de tectonique globale en y faisant figurer la convection mantellique. À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les zones de subduction présentent un flux faible associé au plongement de la lithosphère âgée devenue froide et dense. Deux phénomènes visualisés par la tomographie sismique de la Terre sont de première importance et représentés dans les différents modèles de convection à l’intérieur du manteau : la subduction des panneaux plongeants lithosphériques qui soustrait de la matière de la surface ; les panaches mantelliques (points chauds) qui ramènent des matériaux profonds vers la surface. Les déplacements verticaux (subduction et panaches) sont plus importants que les déplacements horizontaux (expansion océanique et collision par exemple). La subduction est donc un phénomène de premier ordre pour la géodynamique de la Terre. La Terre se comporte comme une machine thermique, c’est-à-dire comme un dispositif permettant le passage d’énergie sous forme de chaleur vers une énergie mécanique. Une ressource énergétique : la géothermie L’énergie géothermique utilisable par l’homme est variable d’un endroit à l’autre. Des exploitations géothermiques sont implantées à proximité de dorsales (Islande…), de subductions (Guadeloupe, Japon, Philippines…), de points chauds (Hawaii…). Toutes ces zones ont en commun un flux thermique important associé au magmatisme. Cependant, la géothermie a connu ces dernières années un développement dans d’autres zones où le flux de chaleur est plus faible, tels que des bassins sédimentaires. 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. Séquence 3 – SN02 41 © Cned - Académie en ligne Le modèle de la tectonique globale Radioactivité naturelle Chaleur initiale La Terre : une machine thermique Existence de points chauds Magmatisme de point chaud Énergie thermique = énergie interne de la Terre Énergie mécanique = convection du manteau Mouvements de plaques lithosphériques Flux géothermique hétérogène de valeur moyenne égale à 60 mW/m2 Existence de frontières de plaques avec une activité sismique En divergence En convergence EXPANSION OCÉANIQUE SUBDUCTION COLLISION Magmatisme de dorsale 42 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 Magmatisme de subduction En coulissage FAILLES TRANSFORMANTES Exercices Les exercices 1, 2, 3 et 4 sont des QCM sans support ou avec un support documentaire. Exercice 1 Questions à choix multiples (QCM) Pour chaque ensemble d’affirmations, relever celles qui sont correctes et celles qui ne le sont pas. Justifier. Flux et gradient géothermiques a) Le gradient géothermique moyen dans la croûte continentale est de 3 °C par kilomètre. b) Le flux géothermique est faible en général au niveau des dorsales et plus élevé au niveau des masses continentales. c) le gradient géothermique est plus faible dans le manteau que dans la lithosphère. d) Le gradient géothermique varie suivant le contexte géodynamique. La Terre est une machine thermique a) La chaleur interne du globe provient principalement de la désintégration des éléments radioactifs. b) La croûte continentale, la plus concentrée en radioéléments, produit la majorité de l’énergie libérée. c) L’énergie interne de la Terre se dissipe essentiellement par conduction. d) La convection mantellique est un mode de transfert de chaleur qui correspond à des mouvements de matière au sein du manteau. e) La tomographie sismique permet de visualiser les variations de température dans le manteau. Un modèle actuel du fonctionnement global de la planète Terre a) Dans la subduction, c’est la lithosphère océanique qui exerce la force motrice principale. b) Les points chauds correspondent à des remontées ponctuelles par convection de magma profond. c) Les points chauds correspondent à des remontées ponctuelles par convection de manteau profond subissant une fusion partielle dans les 100 derniers kilomètres. Séquence 3 – SN02 43 © Cned - Académie en ligne La géothermie a) La géothermie est une énergie renouvelable car la Terre dissipe en permanence de l’énergie provenant essentiellement du noyau. b) Les exploitations géothermiques produisent toutes de l’électricité. c) Une exploitation géothermique nécessite toujours la présence d’eau circulant dans les roches à une température d’au moins 150 °C. d) Des recherches sont effectuées actuellement pour exploiter la chaleur des roches à plus de 3 000 m de profondeur, même s’il n’y a pas d’aquifère naturel. e) La géothermie est une énergie renouvelable car la Terre dissipe en permanence de l’énergie provenant en grande partie de la désintégration radioactive des roches du manteau. Exercice 2 Le contexte géodynamique de l’Islande Pour chaque ensemble d’affirmations, relever celles qui sont correctes et celles qui ne le sont pas. Justifier. L’Islande est une île où on peut observer les effets du fonctionnement d’une dorsale océanique et ceux d’un panache mantellique (point chaud). On cherche à comprendre le contexte géologique particulier de l’Islande. Document 1 Tomographie sismique de l’Islande La vitesse des ondes P augmente avec la rigidité des matériaux traversés. On parle d’anomalies négatives lorsque les ondes P sont ralenties et d’anomalies positives quand elles sont accélérées. La rigidité est ellemême dépendante de la température des matériaux traversés. Islande Ouest 0 5 Est 10 15 20 25 30 35 250 00 0 2 0 ) r (km 0 deu 1000 50 n o f 0 Pro 150 Islande –0,5% Anomalies négatives 44 © Cned - Académie en ligne Séquence 3 – SN02 +0,5% Anomalies positives Document 2 Utiliser le document 21a « Profil tomographique du Pacifique à l’Afrique » afin de prendre en compte dans le raisonnement l’anomalie sismique observable au niveau de la dorsale atlantique en dehors de l’Islande a) Les anomalies positives de vitesse de propagation des ondes sismiques sont à mettre en relation avec des matériaux traversés dont la température est plus froide. b) La tomographie sismique montre une anomalie de vitesse identifiée jusqu’à environ 2 800 km de profondeur interprétée comme la remontée de manteau profond au niveau de la dorsale. c) La tomographie sismique montre une anomalie de vitesse identifiée jusqu’à environ 2 800 km de profondeur interprétée comme la remontée active d’un panache de manteau profond à l’origine du point chaud islandais. d) Le panache qui remonte à l’état liquide est plus chaud de quelques centaines de degrés °C que le manteau environnant. e) Le panache transfère de l’énergie par convection des zones profondes du manteau vers la surface de la lithosphère. Séquence 3 – SN02 45 © Cned - Académie en ligne
