Les propriétés thermiques de la Terre

THEME 2 : ENJEUX PLANETAIRES CONTEMPORAINS
THEME 2 A : GEOTHERMIE ET PROPRIETES THERMIQUES DE LA TERRE
ESSENTIEL 5
- Les propriétés thermiques de la Terre -
 Connaissances
La Terre émet à sa surface de l'énergie thermique. L'Homme utilise cette énergie, dite géothermique, pour satisfaire
une fraction de ses besoins énergétiques (production d'électricité et chauffage notamment). L'exploitation de l'énergie
géothermique, inépuisable à l'échelle de l'humanité, est une des alternatives possibles aux énergies fossiles.
Comment exploite-on l’énergie géothermique ? Quels processus produisent l’énergie géothermique ?
I. Gradient et flux géothermiques témoignent d'une énergie interne
 La Terre libère de la chaleur d'origine profonde
De nombreuses manifestations à la surface du globe attestent de la présence de matériaux chauds en profondeur.
C'est le cas des sources hydrothermales qui libèrent des fluides chauds, mais aussi des éruptions volcaniques qui
sont des manifestations ponctuelles et brutales de la libération d'énergie interne. Enfin, l'augmentation de la
température avec la profondeur est une réalité bien connue des mineurs : plus une mine est profonde, plus il y fait
chaud.
 Le gradient et le flux géothermique mesurent cette libération d'énergie
Des forages permettent de mesurer l'élévation de température avec la profondeur, ou gradient géothermique : sa
valeur est en moyenne de 30°C.km-1.
Le flux géothermique, mesurée W.m-2, correspond à la dissipation d'énergie provenant des profondeurs de la Terre et
traversant une surface donnée en un temps donné. Une telle mesure permet d'évaluer le transfert de chaleur de la
profondeur vers la surface. 95% de la libération d'énergie interne est ainsi dissipés de façon diffuse, les 5 % restants
correspondant à des événements localisés brefs : séismes et éruptions volcaniques.
 Gradient et flux géothermiques varient selon le contexte géodynamique
Le flux géothermique présente des variations importantes d'une région à l'autre : il est, par exemple, un peu plus
élevé au niveau des océans que sur le continent.
Dans les domaines océaniques, les zones à flux de chaleur élevé sont les dorsales océaniques d'une part, les arcs
volcaniques liés à la subduction et les points chauds d'autre part. En revanche, le flux de chaleur est faible au niveau
des zones stables (plateau continental et plein abyssal) de même qu'au niveau des fosses associées à la subduction.
Sur les continents, un flux géothermique élevé est observé dans les régions volcaniques mais aussi dans certains rifts
continentaux où la croûte est amincie.
II. Origine du flux géothermique et modalités du transfert d'énergie
 Une origine principale : la désintégration d'éléments radioactifs
La chaleur de la Terre provient essentiellement (90 %) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de
certains éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium (238U et 235U), thorium (232Th) et potassium
(40K). Le noyau atomique instable des isotopes radioactifs se fragmente spontanément en libérant un rayonnement et
de l'énergie thermique. Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa masse
énorme lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d'énergie interne.
 Deux mécanismes de transfert inégalement efficaces
L’énergie thermique produite est transférée au sein des enveloppes du globe selon deux modalités : la conduction à la
convection.
La conduction correspond un transfert de chaleur de proche en proche. Il n'y a pas, dans ce cas, de déplacement de
matière. L'échange thermique entre une région chaude et une région voisine plus froide se matérialise par un fort

gradient thermique (par exemple dans la croûte, 30°C.km-1). L'efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du
matériau.
La convection, en revanche, correspond à un transfert de chaleur avec un déplacement de matériau qui conserve
pratiquement sa température. Le gradient thermique est alors très faible (de 0,3°C.km-1par exemple). Ce mécanisme
de transfert d’énergie, très efficace, se met en place lorsqu’un matériau chaud et peu dense est surmonté par un
matériau froid et plus dense. La matière chaude a tendance à s’élever et, à terme, à se refroidir. À l'inverse, la matière
plus froide et plus dense a tendance à descendre et, à terme, à s'échauffer. Les cellules de convection s'organisent
alors.
 Un modèle thermique du globe
On peut considérer la terre comme une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau à l'origine
des remontées et des descentes asthénosphériques. Celles-ci sont à l'origine de la dynamique lithosphérique et donc
aussi à l'origine des manifestations de surface. Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique.
Ainsi, c'est la dissipation d'énergie interne du globe « fait bouger » les plaques.
De part et d'autre de cette zone convective existent deux couches où règne la conduction : la lithosphère et l'interface
noyau/manteau. C'est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré.
Ainsi, l'énergie interne est efficacement transférée par convection de la profondeur vers la surface puis dissipée par
conduction à travers la lithosphère. Le globe terrestre se refroidit ainsi très progressivement.
III. L'énergie géothermique est utilisée par l'homme
L’énergie géothermique chauffe les roches et les fluides qui peuvent circuler. L'Homme extrait ces fluides pour
exploiter cette énergie.
Dans les bassins sédimentaires comme le Bassin parisien, le gradient géothermique est voisin de 30°.km-1 et les
fluides extraits ont une température générale inférieure à 90°C. Ils sont utilisés pour le chauffage collectif : c’est la
géothermie « basse énergie ».
Dans les zones à activités magmatiques (subduction aux Antilles) ou à l'aplomb des rifts, le gradient géothermique est
plus élevé. Les fluides sont prélevés à des températures supérieures à 90 °C et permettre la production d'électricité :
c’est la géothermie « haute énergie ».
Pour le chauffage, l'énergie géothermique a, en France, un potentiel certain. En revanche, la production d'électricité
d'origine géothermique ne représente encore qu'une très faible fraction de l'électricité consommée.
Le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne représente qu'une infime partie de ce qui est dissipé.
Termes importants :
Conduction : transfert thermique réalisé de proche en proche par transmission d'une agitation des atomes sans
mouvement global des matériaux.
Convection : transfert thermique réalisé par le déplacement du matériau du fait de différences de densités entre les
secteurs chauds et froids. Le matériau échauffé et devenu moins dense s'élève et remplace la matière plus froide qui
tend à s'enfoncer.
Énergie géothermique : énergie libérée par la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches. Elle
chauffe les roches et fluides qui circulent.
Flux géothermique : quantité d'énergie géothermique dissipée par unité de temps et de surface (exprimé en W.m-2)
Gradient géothermique : variations de la température sur une distance donnée dans une enveloppe terrestre
(exprimé en °C.km-1)

 Capacités et attitudes :
I
S’informer, recenser, extraire et organiser des informations pour :
- Recenser des informations relatives au gradient et au flux géothermiques.
- Exploiter des données extraites des atlas régionaux concernant la température des fluides extraits
dans ces zones.
- Exploiter l’imagerie satellitale et les cartes de répartition mondiale du flux thermique pour replacer
les exploitations actuelles dans le cadre structural : magmatisme de rifting, de subduction ou de
points chauds.
C
Exprimer et exploiter des résultats :
- Utiliser un tableur pour calculer les quantités d’énergie libérées par radioactivité dans les différentes
enveloppes de la Terre.
- Traiter des mesures de conduction et de convection à l’aide d’un dispositif EXAO avec un tableur.
DS
Pratiquer une démarche scientifique :
- Exploiter une modélisation analogique de convection en employant des matériaux de viscosité
différente.
- Exploiter des données de tomographie sismique afin de préciser la dynamique interne de la Terre.
Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique
Être conscient de sa responsabilité face à l’environnement.
Percevoir le lien entre sciences et techniques.
Manifester de l’intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société