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HYDROTHERMALISME
et
GEOTHERMIE
P. Patrier Mas
Quelques définitions….
Geo : terre - thermos : chaleur
Géothermie : « C ’est
l’utilisation de la chaleur
naturelle de la Terre, en tant
que source d’énergie locale,
concurrentielle, durable et
acceptable du point de vue
écologique et social, pour
produire de l’électricité et
pour des applications directes
de la chaleur » (UNESCO,
1993).
Larderello, 1904
Hydrothermalisme : qui se rapporte aux circulations d ’eaux
souterraines chaudes et minéralisées et à leur utilisation
Pour le géologue … système géologique associé
Système hydrothermal : Système géologique caractérisé par
des circulations de fluides chauds en dessous de la surface de
la terre.
Ces systèmes peuvent être actifs ou fossiles
Système géothermal =
limité à la zone
superficielle d’un système
hydrothermal actif
(fossile = épithermal)
Documents www.iga.igg.cnr.it
Hydrothermalisme - Géothermie
Chaleur + Fluide (L ou V)
La chaleur de la Terre:
Origine :
-Chaleur d’accrétion :
Energie potentielle issue de
la condensation des
poussières, gaz...
-désintégration des
éléments radioactifs
présents dans les roches
U, Th, K (35 sur 42TW)
570 mW/kg de roche pour 235U,
94 mW/kg de roche pour 238U,
27 mW/kg de roche pour 232Th,
28 mW/kg de roche 40K.
1W = 1J/s
demi-vies
: 4.5 109 ans
232Th : 14 109 ans
235U : 710 106 ans
40K : 1.3 109 ans
238U
Toute cette chaleur remonte difficilement à la surface car les
roches de l ’écorce terrestre sont de mauvais conducteurs
Transferts par conduction peu efficaces
(refroidissement de la Terre : 50 K+/- 25 pour 109ans)
Pour comparaison:
Acier « doux » :46 W/m/K
Amiante : 0.17 W/m/K
Laine de verre : 0.04 W/m/K
Conductivité thermique : quantité de chaleur
transférée par unité de surface et par unité de
temps sous un gradient de température de 1 degré
par mètre.
Transferts par conduction
Augmentation de la température
avec la profondeur
3.3°C pour 100m
Premières mesures par forage en
1832 à 220 m de profondeur
(3,4°C/100m)
en France : 2°C/100m (Pyrénées) à 10°C/100m (Alsace)
Arago et Walferdin (1840) déterminent une
temperature de 26,43°C à 505m de prof. dans
un puits à l’abattoir de Grenelle
Flux d ’énergie
Flux d ’énergie : gradient géothermal x conductivité thermique (°C/m - W/m/°C)
Jaupart et al, 2014
Gradient géothermal pouvant atteindre 30°C/100m
La chaleur aux limites de plaques
Zones fragiles de l ’écorce terrestre
Remontée du magma vers la surface
(intrusions plutoniques, volcans)
Les transferts de chaleur se font principalement par
convection (transfert thermique associé à un déplacement de
matière) : beaucoup plus efficace
Perméabilité
croissante
Mise en place de cellules de
convection
Intrusion à 750°C
Origine de la mobilité des fluides
Gradient de densité en fonction de T
Dans le réservoir, les températures
peuvent atteindre plus de 350°C
Nature des fluides
mis en jeu
L ’hydrothermalisme et les systèmes
hydrothermaux
L ’hydrothermalisme sous-marin
altération des roches
basaltiques en cours
d ’extrusion par les
solutions issues de
mélanges entre les fluides
magmatiques et l ’eau de
mer
Cours ressources minérales, gists
types VMS
L ’hydrothermalisme continental
Les systèmes hydrothermaux amagmatiques (BE)
-Grande diversité
-Echelles très variées
Bassins sédimentaires, orogènes, socles
continentaux…
-Déplacement des fluides contrôlé par un
gradient de charge associé à des reliefs
topographiques, par des changements des
champs de contrainte (lors de la
compaction sédimentaire, ou lors de
déformations tectoniques)…
- L’écoulement des fluides s’effectue dans des fractures, des discontinuités
géologiques, des zones de cisaillement…
L ’hydrothermalisme continental de connexion magmatique
(HE)
1 - Système épithermal :
profondeur < 1500m et à
50 < T < 200 °C
2 - Système mésothermal : une
profondeur intermédiaire
(1500-4500 m) et à
200 < T < 400 °C
3 - Système hypothermal :
profondeur > 4500 m) et à
400 < T < 600 °C
Gisements métallifères
Cf. cours ressources minérales
Expression en surface de l‘ hydrothermalisme dans les
environnements de haute énergie …
Émissions d ’eaux chaudes : geysers
http://raubimarie.com/who-wouldnt-love-a-pool-full-of-champagne/
vert (soufre colloïdal, sels ferreux), orange (antimoine…),
violet (oxydes de Mn), blanc(silice), jaune (soufre), rouge
(oxydes de fer), noir (sulfures)…
Remontée d ’eaux thermales au niveaux de « piscines »
Champagne pool 74°C - pH=5 - Au, Ag, Hg, Ar, S, Th, Sn, CO2
Emanations gazeuses : fumerolles, solfatares
fum. sèches, entre 500°C et 1 000°C, riches en H2, SO2,
F et Cl ;
fum. acides, entre 300°C et 500°C, riches en H2O, CO2,
H2, SO2, H2S et HCl.
solfatares : entre 100 et 300 °C
l'hydrogène sulfuré s'oxyde partiellement avec l'O2
atmosphérique, il se transforme en partie en vapeur
de soufre.
« mud pots » : marmites de boues
Travertins
cristallisation
dissolution
critique
Fluides très acides
(H2SO4)...
Cratères de dissolution
Sols chauds
Expression en surface de
l‘ hydrothermalisme dans les environnements
de basse énergie …
Source du Par - Chaudes Aigues (82°C)
Expression en profondeur
Fonction du déséquilibre fluide/roche et de la
quantité de fluide ….
Existences de fractures
± transformation aux parois
Altération dans la masse
Interaction des fluides chauds avec les roches :
= altération hydrothermale
(ve)
Changement de structure, de minéralogie,
de chimie de la roche lorsque les conditions
physico-chimiques de l ’environnement sont
modifiées en présence de fluides.
(wr)
ill
ill
ca
qz
ill
ca
qz
op
80µm
À l ’origine de remobilisations
Intérêt économique
Systèmes hydrothermaux fossiles...
cristallisation
dissolution
critiqu
e
Systèmes
épithermaux : Au,
Ag, Hg, Sb, As,
Pb, Zn, Cu...
Systèmes
mésothermaux :
Cu, Mo, W, Au,
Sn...
Activité suffisamment longue pour
être à l ’origine de concentrations en
éléments métalliques exploitables
Veine à chalcopyrite CuFeS2
Veine à calcite
Veine à or-quartz
Veine à fluorine
Systèmes hydrothermaux actifs…
Géothermie haute énergie :
production d ’électricité.
L ’eau est captée sous forme
de vapeur pour la production
d ’électricité
Énergie géothermique
(1970-1980...)
Haute énergie (150350°C)
La géothermie et les
systèmes géothermaux
Définition d ’un système géothermal
Système
conventionnel:
Source de
chaleur + Fluide
+ milieu poreux
ou fracturé
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Source de chaleur
Systèmes « Roches chaudes sèches » ou « Hot
Dry Rock » (HDR) ou EGS (Enhanced Geothermal
System)...
Selon la présence/nature des
fluides...
Systèmes à vapeur
dominante
T fluide >T ébullition à la pression
du réservoir (Larderello 400650°C)
Systèmes à liquide
dominant
Majorité des systèmes
Systèmes secs/ EGS
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Géothermie Très Basse
Energie
T < 30°C Aquifère peu profond.
Utilisation de la
chaleur
géothermique
Géothermie Basse Energie
30-90°C
Aquifère entre 1500 et 2000m de profondeur. Bassins
sédimentaires (existence de roches poreuses imprégnées d ’eau).
Utilisation de la chaleur
géothermique
Géothermie Moyenne
Energie
90- 150°C
Eau chaude ou vapeur. Zones propices à la géothermie HE (mais
Prof.<1000m) + bassins sédimentaires (entre 2000 et 4000m).
Production d ’électricité possible via un fluide intermédiaire.
Géothermie Haute Energie
T > 150°C
Réservoir entre 150 et 3000m dans zones de gradient géothermal
anormalement élevé.
Fluide capté sous forme de vapeur sèche ou humide. Production
d ’électricité.
Classement de filières géothermiques par usage
Zones propices à la géothermie moyenne et haute
énergie