HYDROTHERMALISME et GEOTHERMIE P. Patrier Mas Lien : http://sfa.univ-poitiers.fr/geosciences/ (ressources pédagogiques) Quelques définitions…. Gê : 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 : -transfert d’énergie cinétique en énergie mécanique et énergie calorifique condensation des poussières, gaz... -désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches 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 U, Th, K (35 sur 42TW) demi-vies 238U : 4.5 109 ans 232Th : 14 109 ans 235U : 710 106 ans 40K : 1.3 109 ans 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-bleu (silice), jaune (soufre), rouge (oxydes de fer), noir (sulfures)… + bactéries extremophiles 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, pour donner des dépôts 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 Documents www.iga.igg.cnr.it 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 Documents www.iga.igg.cnr.it 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