2-A GEOTHERMIE ET PROPRIETES THERMIQUES DE LA TERRE Notions 1. Un flux géothermique et son origine La Terre libère de la chaleur d’origine profonde, emmagasinée depuis sa formation. Le transfert de l’énergie interne du globe vers les enveloppes superficielles est à l’origine d’un flux géothermique qui est émis en surface, exprimé en Watts par mètres carrés. L’augmentation de température en fonction de la profondeur qui en découle est le gradient géothermique dont la valeur moyenne au niveau de la croûte est de 30°C par kilomètre. Cette énergie provient principalement de la désintégration naturelle d’éléments radioactifs présents dans les roches du globe. Certains minéraux des roches contiennent des isotopes radioactifs dont les noyaux instables se désintègrent au cours du temps : Uranium 238U, 235U, Thorium 232Th et potassium 40K. Ces désintégrations libèrent de l’énergie capable d’échauffer les matériaux dans lesquelles elles s’effectuent. Même si le manteau est moins concentré en isotopes que la croûte terrestre, sa masse importante en fait le principal producteur d’énergie interne. 2. Les modalités de transferts thermiques L’énergie interne est transférée au sein des enveloppes par deux modalités distinctes, la conduction (sans déplacement de matière) et la convection (avec déplacement de matière) La conduction correspond à un transfert de chaleur de proche en proche, sans déplacement de matière (mis à part l’agitation à l’échelle atomique). L’efficacité de ce transfert dépend de la conductivité thermique du matériau. La convection correspond à un transfert de chaleur avec déplacement de matière : la matière chaude, moins dense, a tendance à s’élever et à terme, à se refroidir, tandis que la matière plus froide, donc plus dense, à tendance à descendre et à terme, à s’échauffer. Ces déplacements de matière s’organisent en cellules de convection. Les échanges thermiques en convection sont beaucoup plus efficaces qu’en conduction L’énergie géothermique est principalement transférée par conduction dans la lithosphère et essentiellement par convection dans le manteau sous jacent. Activités, supports 3. Flux géothermique et géodynamique : La Terre, une machine thermique Gradient et flux géothermiques présentent des variations importantes d’une région à l’autre et dépendent notamment du contexte géodynamique. On observe un flux géothermique élevé : - A l’aplomb des dorsales, où le transfert thermique est associé à la production de lithosphère océanique nouvelle et chaude. - Au niveau des points chauds (à l’aplomb d’un panache ascendant de matériau mantellique chaud d’origine profonde) - A l’aplomb des zones magmatiques dans un contexte de subduction Un flux géothermique faible caractérise les zones stables sur le plan géodynamique et les zones de subduction où on assiste au plongement d’une lithosphère âgée, froide et dense. La dynamique lithosphérique et les manifestations géologiques en surface du globe ont pour origine la dissipation de l’énergie interne du globe. A l’échelle globale, la convection lente au sein du manteau se manifeste par l’ascension de roches mantelliques chaudes à l’aplomb des dorsales, et par le plongement de plaques de lithosphère océanique refroidies au niveau des zones de subduction. Ainsi l’énergie géothermique est transformée en énergie mécanique (mouvements de matière). La Terre est une machine thermique : la dissipation progressive de son énergie interne est à l’origine de la mobilité lithosphérique. 4. La géothermie, une ressource exploitable par l’homme L’Homme utilise la géothermie pour la production de chaleur et d’électricité. Le flux géothermique qui traverse la lithosphère en provenance de l’intérieur de la Terre est une ressource énergétique utilisable par l’homme. - Dans les zones à fort gradient géothermique (régions à forte activité magmatique), l’eau qui s’infiltre et circule en profondeur se réchauffe au contact des roches. Elle peut être exploitée via des forages (500 à 2000m de profondeur). Ainsi la géothermie de « haute énergie » utilise ces fluides très chauds afin de produire de - l’électricité (centrales géothermiques) La géothermie de « basse énergie » récupère l’énergie thermique à faible profondeur (quelques mètres ou quelques dizaines de mètres) dans le sol ou le sous sol à des fins de chauffage. Cette énergie géothermique est une ressource inépuisable à échelle humaine. Les limites de son exploitation s’expliquent essentiellement par l’inégale répartition de cette énergie, qui varie selon les régions. L’exploitation de l’énergie géothermique ne représente actuellement que 1% de la consommation mondiale d’énergie. De plus, les installations géothermiques actuelles n’utilisent qu’une infime partie de la totalité du flux dissipé à la surface de la Terre. Ainsi, à échelle humaine, l’énergie géothermique peut être considérée comme inépuisable. Bien qu’inégalement répartie à la surface du globe, elle apparaît comme une alternative intéressante à l’exploitation des combustibles fossiles.