La géothermie - Cours de SVT niveau lycée

Fiche de révision thème 2-A : La géothermie
1. Flux et gradient géothermiques
Le flux géothermique est le flux d’énergie thermique dégagé par la surface
terrestre en provenance de l’intérieur du globe.
Il dépasse les 100 mW.m-2 au niveau des dorsales ou des points chauds alors qu’il
ne dépasse pas les 40 mW.m-2 à la verticale des fosses océaniques : le flux
important mesuré au niveau des dorsales est associé au magmatisme
accompagnant la production de lithosphère nouvelle alors que le flux faible
mesuré au niveau des zones de subduction est associé au plongement d’une
lithosphère refroidie devenue dense.
Le gradient géothermique correspond à la variation de température en fonction
de la profondeur.
Des mesures de température dans les mines et les forages permettent de
connaître le gradient géothermique moyen dans les premiers kilomètres de la
lithosphère : 30 °C.km-1, il descend à 10 °C.km-1 au niveau des zones de
subduction.
Au-delà de 12 km, il est possible d’approcher la mesure du gradient
géothermique grâce à des données géologiques indirectes :
- au sommet de l’asthénosphère, le ralentissement de la vitesse des ondes
sismiques (Low Velocity Zone ou LVZ) révèle des conditions de température et de
pression voisines de celles nécessaires à la fusion de la péridotite mantellique ce
qui suppose une température proche de 1 600 °C ;
- la brusque variation des ondes sismiques vers 670 km de profondeur
correspond à des transitions minéralogiques qui nécessitent une température
proche de 1 900 °C ;
- on sait grâce aux ondes sismiques que le noyau externe est liquide alors que le
noyau interne est solide ; l’analyse expérimentale du fer, composant essentiel du
noyau, indique que la température du noyau externe est proche de 3 800 °C.
2. L’énergie géothermique, une énergie exploitable par l’Homme
L’énergie géothermique est la deuxième source de production d’électricité dans
le monde, mais c’est aussi une ressource utilisée pour le chauffage urbain, des
serres agricoles et de la pisciculture : toutefois, si cette source d’énergie est
considérée comme inépuisable, le débit de cette énergie reste généralement très
faible.
Dans les régions géologiquement calmes (en dehors des limites de plaques et des
points chauds), le gradient géothermique est stable d’une région à l’autre (en
moyenne 30 °C.km-1) bien que l’on puisse observer des variations significatives
(20 °C.km-1au pied des Pyrénées à 100 °C.km-1au nord de l’Alsace).
Dans les régions géologiquement actives (au niveau des frontières de plaques et
des points chauds), les valeurs du flux et du gradient géothermiques sont plus
élevées : le gradient géothermique maximal est de 250 °C.km-1 alors que le flux
géothermique peut atteindre des valeurs de 0,5 à 1 W.m-2.
 La géothermie de basse et très basse énergie exploite les nappes
phréatiques de faible profondeur dont la température n’excède pas 50 °C :
elle peut être utilisée pour chauffer des locaux à l’aide de pompes à chaleur
et ses débouchés pour l’habitat individuel sont importants. Ces gisements
de basse et très basse énergie sont largement répandus à la surface du
globe terrestre : c’est ce type de gisements que l’on trouve majoritairement
en France comme dans le Bassin parisien ou aquitain.
 La géothermie profonde se développe dans un contexte géologique
particulier : les rifts continentaux. Elle profite de la remontée du Moho due
à l’amincissement de la croûte continentale qui modifie le gradient
géothermique moyen. Elle permet la production d’électricité par injection
d’eau en profondeur. En France ce type de ressource n’existe qu’en Alsace.
 La géothermie de moyenne et haute énergie se développe dans les régions
à magmatisme récent ou actuel :
 La géothermie de moyenne énergie explore en général des gisements
d’eau chaude ou de vapeur humide dont la température est comprise
entre 90 et 150 °C : dans certaines zones, ces températures
s’observent à moins de 1 000 mètres de profondeur mais on trouve le
plus souvent entre 2 000 et 4 000 mètres ; la géothermie de moyenne
énergie est surtout utilisée par l’industrie ;
 La géothermie de haute énergie exploite des fluides dépassant les 150
°C et permet la production d’électricité par l’intermédiaire de turbines.
En France, ce type de ressources ne se rencontre que dans les DOM comme
à Bouillante en Guadeloupe ou au Lamentin en Martinique.
Dans le monde, l’exploitation de la géothermie ne couvre que 0,4 % des besoins
en électricité.
3. L’origine de l’énergie interne du globe
Les minéraux des roches sont formés de divers éléments chimiques : parmi ces
éléments, certains présentent des isotopes radioactifs instables qui se
désintègrent au cours du temps en libérant de l’énergie.
Quelques isotopes seulement sont responsables de la majeure partie de la
libération de chaleur associée à la radioactivité : l’uranium (238U et 235U), le
thorium (232Th) ainsi que le potassium (40K).
Un tiers de la chaleur serait produite dans la croûte terrestre où la concentration
en éléments radioactifs est la plus élevée alors que les deux tiers restants le
seraient dans le manteau dont les concentrations en éléments radioactifs sont
plus faibles mais dont le volume est nettement supérieur.
Une autre source d’énergie correspond à la chaleur initiale accumulée lors de
l’accrétion planétaire : les multiples impacts des corps célestes qui se sont
agrégés ont dégagé une énorme quantité d’énergie. Si les couches superficielles
ont rapidement dissipé cette énergie, ce processus a été beaucoup plus lent pour
le noyau et se poursuit encore actuellement.
4. Les mécanismes de transfert de l’énergie interne de la Terre
Il existe deux mécanismes de transfert d’énergie thermique : la conduction et la
convection.
Lors d’une conduction, les atomes des zones chaudes vibrent plus que les atomes
des zones froides : ces vibrations se transmettent de proche en proche et le
transfert d’énergie se fait sans mouvement macroscopique de matière. Ce
mode de transfert étant peu efficace, le gradient thermique d’une conduction
est important.
Lors d’une convection, la zone où la température augmente voit sa masse
volumique diminuer et aura tendance à monter par rapport aux zones adjacentes
plus froides : le transfert d’énergie se fait avec mouvement macroscopique de
matière. Ce mode de transfert étant très efficace, le gradient thermique d’une
convection est faible.
Le fort gradient géothermique jusqu’à l’asthénosphère (10 à 30 °C.km-1) est donc
le résultat d’une conduction alors que le faible gradient géothermique jusqu’à la
limite manteau/noyau (0,4 °C.km-1) est le résultat d’une convection.
La dynamique convective du manteau est très compliquée :
- les subductions représenteraient les seuls mouvements actifs : lorsque la
lithosphère océanique est suffisamment refroidie, sa masse volumique (3,3 g.cm3
) dépasse celle de l’asthénosphère sous-jacente (3,25 g.cm-3) ce qui induit un
plongement ;
- les dorsales seraient simplement des remontées passives ; une plaque
lithosphérique est donc tirée par la subduction plutôt que poussée par la dorsale.
La tomographie sismique détecte des anomalies de vitesse de propagation des
ondes sismiques : une augmentation de la vitesse correspond à une température
plus basse par rapport à la moyenne à cette profondeur alors qu’une diminution
de la vitesse correspond à une température plus haute par rapport à la moyenne
à cette profondeur.
Les données recueillies par tomographie sismique indiquent, d’une part, que de
la matière froide plonge au niveau des zones de subduction, quasiment jusqu’à
l’interface du noyau et du manteau et, d’autre part, qu’il n’y a pas sous les
dorsales d’anomalie thermique s’enracinant à une profondeur supérieure à 400
kilomètres.
Ces données confirment le modèle : les subductions correspondent à des
plongements profonds de la lithosphère qui mettent en mouvement des
plaques alors qu’au niveau des dorsales, les remontées restent superficielles et
viennent compenser l’écartement relatif dû au déplacement des plaques
lithosphériques.
Par ailleurs, les points chauds seraient les traces en surface de panaches
mantelliques actifs d’origine profonde.
A la fin de ce chapitre, vous devez :
Oui
Savoir définir flux et gradient géothermique
Connaitre les différents types de géothermie et leurs contextes
géologiques
Connaitre les utilisations de la géothermie et leurs exploitations
Savoir quelle est l’origine de la chaleur produite par la terre
Savoir définir conduction et convection
Savoir associer la forme du géotherme aux différents modes de
transfert d’énergie.
Savoir expliquer ce qu’est la tomographique sismique et les
renseignements qu’elle donne sur les mouvements de matière
dans la Terre
Non
Au niveau du manteau et du noyau, le
gradient géothermique est faible, il y a donc
dans ces couches un transfert de chaleur
par convection
Au niveau de la lithosphère et au niveau de
la limite manteau – noyau externe
(discontinuité de Gutenberg), on observe un
gradient géothermique important, il y a
donc à ces niveaux un transfert de chaleur
par conduction.
EXO1 : QUESTIONS A CHOIX MULTIPLE
Q1 : Le gradient géothermique correspond :
a. à l’énergie thermique mesurable en surface ;
b. à l’évolution de la température en fonction de la profondeur ;
c. au flux géothermique ;
d. en moyenne à 100 °C.km-1.
Q2 : Le flux géothermique a pour origine principale :
a. la désintégration des atomes radioactifs du noyau externe ;
b. la désintégration des atomes radioactifs du noyau interne ;
c. la désintégration des atomes radioactifs de l’asthénosphère ;
d. la désintégration des atomes radioactifs de la croûte et du manteau.
Q3 : Deux mécanismes de transfert thermique existent sur Terre :
a. convection et conduction ;
b. convection et rayonnement ;
c. conduction et radioactivité ;
d. conduction et rayonnement.
Q4 : Le flux géothermique :
a. est identique en tout point du globe ;
b. est plus important dans les zones de subduction ;
c. est moins important dans les zones d’accrétion ;
d. peut dépasser les 100 mW.m-2.
Q5 : Les transferts thermiques dirigés vers la surface :
a. sont principalement de nature convective dans la lithosphère ;
b. sont principalement de nature conductive dans le manteau ;
c. sont principalement de nature conductive dans le noyau ;
d. sont principalement de nature conductive dans la lithosphère.
EXO2 : RESTITUTION DE CONNAISSANCES
Les émissions de laves, les geysers ou certaines sources hydrothermales
chaudes sont autant de preuves de l’existence de sources d’énergie
internes à la Terre.
Q : Après avoir décrit l’origine du flux géothermique en surface, vous
expliquerez comment les scientifiques ont pu déterminer les
mécanismes de transfert thermique existant à l’intérieur du globe
terrestre.
La réponse sera structurée avec une introduction, un développement
illustré par des schémas et une conclusion.
EXO3 : GEOTHERME TERRESTRE ET
TRANSFERT THERMIQUE
Le géotherme correspond au profil terrestre
de température en fonction de la profondeur.
Bien que sa mesure directe soit impossible, les
géophysiciens ont pu établir son profil grâce à
des données géologiques indirectes.
Q : Utiliser l’évolution du gradient
géothermique en fonction de la profondeur
ci-contre et les résultats expérimentaux cidessous pour déterminer les mécanismes de
transfert thermique existant dans la croûte et
dans le manteau.
EXO4 : L’EXPLOITATION DE L’ENERGIE GEOTHERMIQUE
L’énergie géothermique est la deuxième source de production
d’électricité mais c’est aussi une ressource utilisée pour le chauffage des
logements, des serres agricoles ou des bassins de pisciculture. On
distingue ainsi les gisements de géothermie de haute énergie qui
permettent la production d’électricité et ceux de basse énergie qui ne la
permettent pas.
Q : Utilisez le profil du flux thermique du transect NO-SE de l’océan
Pacifique pour expliquer la carte de la distribution mondiale des
ressources énergétiques.