FLUX GEOTHERMIQUE

(1)

FLUX GEOTHERMIQUE

DEUG DEUG

Randrianasolo A. 2003-2004

(2)

Propriétés thermiques de la Terre



Source de chaleur interne : Source de chaleur interne :



Gradient géothermique : 3°C / 100m (moyenne) Gradient géothermique : 3°C / 100m (moyenne)



Origine Origine

 Chaleur d’accrétion (cf. formation des planètes) Chaleur d’accrétion (cf. formation des planètes) dispensée par refroidissement de la Terre ou sous dispensée par refroidissement de la Terre ou sous

forme de chaleur latente lors de la cristallisation de forme de chaleur latente lors de la cristallisation de

la graine au dépens du noyau externe.

 désintégration des isotopes radioactifsdésintégration des isotopes radioactifs

 Chaleur latente de cristallisation du noyau (Graine)Chaleur latente de cristallisation du noyau (Graine)



Évacuation non uniforme Évacuation non uniforme

(3)

Source1 de chaleur



Chaleur primitive Chaleur primitive



Origine gravitationnelle Origine gravitationnelle



désintégration d’éléments radioactifs à vie désintégration d’éléments radioactifs à vie courte, maintenant disparus (

courte, maintenant disparus (

²⁶²⁶

Al de période Al de période

740.000ans provenant vraisemblablement d’une 740.000ans provenant vraisemblablement d’une supernova lors de la phase nébuleuse pré-

supernova lors de la phase nébuleuse pré- solaire)

solaire)



Evaluation : environ 20% de l’énérgie Evaluation : environ 20% de l’énérgie



(10 (10

³³

watts) watts)

(4)

Source 2



Chaleur latente de cristallisation : Chaleur latente de cristallisation :

Le refroidissement du noyau liquide fait Le refroidissement du noyau liquide fait

croître la graine solide par cristallisation croître la graine solide par cristallisation

libérant de la chaleur et de l’énergie libérant de la chaleur et de l’énergie

gravitationnelle.

(5)

Source 3



Désintégration d’éléments radioactifs Désintégration d’éléments radioactifs



Localisation : Croûte et manteau Localisation : Croûte et manteau



Eléments de taille atomique élevée sont plus Eléments de taille atomique élevée sont plus concentrés dans la croûte (structure plus

concentrés dans la croûte (structure plus

lâche des minéraux) que dans le manteau (ou lâche des minéraux) que dans le manteau (ou

le noyau) mais le manteau a un volume le noyau) mais le manteau a un volume

beaucoup plus important que la croûte

(6)

Eléments radioactifs principaux



Eléments : Eléments :

 238 ₂₃₈

U – U –

²⁰⁶²⁰⁶

Pb, T = 4,5Ga Pb, T = 4,5Ga

 235235

U – U –

²⁰⁷²⁰⁷

Pb, T = 710Ma Pb, T = 710Ma

 232232

Th – Th –

²⁰⁸²⁰⁸

Pb, T = 14Ga Pb, T = 14Ga

 4040

K – K –

⁴⁰⁴⁰

Ca, T = 1,28Ga Ca, T = 1,28Ga

 4O_4O

K – K –

⁴⁰⁴⁰

Ar, T = 1,28Ga Ar, T = 1,28Ga

(7)

Bilan de la chaleur produite



Désintégration radioactive dans la croûte Désintégration radioactive dans la croûte



0,8 x 10 0,8 x 10

¹³¹³

W W



Désintégration radioactive dans le manteau Désintégration radioactive dans le manteau



2,4 x 10 2,4 x 10

¹³¹³

W W



Refroidissement séculaire Refroidissement séculaire



10 10

¹³¹³

W W

(8)

Flux géothermique



Transfert de chaleur vers l’extérieur Transfert de chaleur vers l’extérieur



flux géothermique = quantité de chaleur dégagé flux géothermique = quantité de chaleur dégagé par unité de temps et par unité de surface

par unité de temps et par unité de surface



Valeur variable : Valeur variable :

 flux moyen = 80 mW.mflux moyen = 80 mW.m^-2^-2((inin Poirier 1996) Poirier 1996)

 France = 100 mW.mFrance = 100 mW.m^-2^-2

 élevé au niveau des dorsales, rifts, arcs insulairesélevé au niveau des dorsales, rifts, arcs insulaires



transfert par conduction mais surtout par transfert par conduction mais surtout par convection

convection

(9)

La conduction



Propagation de la chaleur par vibrations du Propagation de la chaleur par vibrations du réseau cristallin des minéraux

réseau cristallin des minéraux



C’est le seul mode de propagation à travers C’est le seul mode de propagation à travers une couche limite thermique (interface entre une couche limite thermique (interface entre

deux milieux de propriétés physiques deux milieux de propriétés physiques

différentes.



Gradient géothermique (30°C/km) dans la Gradient géothermique (30°C/km) dans la croûte

croûte

(10)

Convection



Ici, c’est la matière chaude elle-même qui Ici, c’est la matière chaude elle-même qui est transportée.

est transportée.

Evacuation plus efficace de la chaleur.

Nécessite l’existence de deux couches limites Nécessite l’existence de deux couches limites

une en bas , une autre au sommet. (il une en bas , une autre au sommet. (il

s’établit alors une

s’établit alors une cellule de convection cellule de convection ) )

(11)

Les isothermes



Variation du gradient géothermique Variation du gradient géothermique f(profondeur)

f(profondeur)



~ 20°C / km dans la croûte ~ 20°C / km dans la croûte



~ 10°C / km dans le manteau sup. ~ 10°C / km dans le manteau sup.



température env. 1300°C à - 100km température env. 1300°C à - 100km



dorsales, rifts : remontée des isothermes dorsales, rifts : remontée des isothermes



S S

^ce^ce

Wadati-Bénioff : baisse (rebroussement) Wadati-Bénioff : baisse (rebroussement)

(12)

Carte mondiale du flux géothermique

(13)

Isothermes au niveau du manteau supérieur

 D = Dorsale ; F = FosseD = Dorsale ; F = Fosse

 Les Flèches montrent les transferts de chaleur liés à des mouvements de Les Flèches montrent les transferts de chaleur liés à des mouvements de matière. Les températures sont en degrés Centigrades.

matière. Les températures sont en degrés Centigrades.

 Les chiffres entre parenthèses indiquent les flux de chaleur en W.mLes chiffres entre parenthèses indiquent les flux de chaleur en W.m^-2^-2

(14)

géothermie

(15)

Bouillante

(16)

Relation Géotherme -Rhéologie



Possibilité de Possibilité de

fluage de la croûte fluage de la croûte

vers -40km vers -40km



Fluage du manteau Fluage du manteau vers -90km

vers -90km

(17)

Fusion des matériaux terrestres



Fusion congruente : à température définie Fusion congruente : à température définie pour une pression donnée. Ex.: les métaux, pour une pression donnée. Ex.: les métaux,

mais aussi certains minéraux (Forstérite et mais aussi certains minéraux (Forstérite et

Fayalite) Fayalite)



Fusion incongruente : décomposition à Fusion incongruente : décomposition à

température fixe en un liquide et un solide température fixe en un liquide et un solide

résiduel.



Exemple : diagramme de phase de l’olivine Exemple : diagramme de phase de l’olivine (série isomorphe)

(série isomorphe)

(18)

Relation géotherme - solidus



Analyse des courbes de géotherme et des solidus Analyse des courbes de géotherme et des solidus sec et humide de la péridotite f(T°C et Pression) sec et humide de la péridotite f(T°C et Pression)

 Géotherme océanique moyen, solidus à sec : pas Géotherme océanique moyen, solidus à sec : pas d’intersection (cf. L.V.Z. si proximité)

d’intersection (cf. L.V.Z. si proximité)

 Géotherme océanique , solidus humide : intersection Géotherme océanique , solidus humide : intersection dès profondeur relativement faible (arc volcanique...) dès profondeur relativement faible (arc volcanique...)

 Géotherme de point chaud, solidus sec : intersection à Géotherme de point chaud, solidus sec : intersection à plus grande profondeur

plus grande profondeur

 Géotherme de dorsale , solidus sec ou humide : très Géotherme de dorsale , solidus sec ou humide : très faible profondeur

faible profondeur

(19)

Relation géotherme - solidus

 A : géotherme A : géotherme continental

continental

 B : géotherme B : géotherme océanique moyen océanique moyen

 C : géotherme de C : géotherme de dorsale océanique dorsale océanique

 LHZ : Lherzolite LHZ : Lherzolite (= Péridotite)

(= Péridotite)

(20)

Relations sismologie-géotherme

 Les études de propagation des ondes sismiques à l'intérieur du globe montrent que le manteau est totalement solide; il doit donc régner des

températures qui permettent aux roches

mantelliques soumises à des pressions de l'ordre de 130 GigaPascal de ne pas fondre.... Dans ces

conditions, ces températures doivent être inférieures à 4 000 °C.

 Les études sismiques montrent également que le noyau externe, lui, est liquide et dans les conditions de pression auxquels il est soumis, sa température doit être supérieure à 3 800°C.

(21)

Etablissement d ’un géotherme profond

 Les scientifiques sont relativement certains des

températures en deux points : à 670 km de profondeur

(1600°C), et à 5150 km de profondeur (limite noyau- graine)

(5 000K).

Entre ces deux points d'ancrage du géotherme terrestre, il ne peut s'agir que d'estimations

(22)

Hypothèses de travail

 Dans le cas de roches du manteau, on estime le gradient adiabatique à 0,3 °C par km. Dans le cas du noyau, il est de l'ordre de 0,55°C par km.

 Si on se base sur ces estimations, on peut donc extrapoler la température en tout point du manteau,à partir des

points d ’ancrage. En remontant depuis 5 150 km (5 000K

= 4 700°C) dans le noyau liquide, et en descendant depuis 670 km (1 600°C) dans le manteau, on peut alors estimer la température à la limite manteau-noyau (2 900 km).

(23)

Résultats



On arrive ainsi aux valeurs suivants à la limite manteau - noyau externe

(discontinuité de Gütemberg):

 côté manteau : 1 600 + (2 900 - 670) * 0,3, soit 2 200 °C

 côté noyau : 4 700 - (5 150 - 2 900) *

0,55, soit 3 450 °C

(24)

Établissement géotherme profond



1300°C : niveau L.V.Z. 1300°C : niveau L.V.Z.



1400°C : transition olivine - spinelle 1400°C : transition olivine - spinelle

(-400km)(-400km)



1600°C : transition post spinelle - pérovskite 1600°C : transition post spinelle - pérovskite

(-670km)

(cas d’une double cellule de (cas d’une double cellule de convection)

convection)



2200°C au sommet de D’’ 2200°C au sommet de D’’



3450°C à la discontinuité de Gütenberg 3450°C à la discontinuité de Gütenberg



4700°C au sein du noyau 4700°C au sein du noyau (fer avec impuretés) (fer avec impuretés)

(25)

Rhéologie



La droite de Byerlee ainsi que les courbes de ductilité

définissent deux pics de résistance : un

pour la croûte et un

pour le manteau.

(26)

Rhéologie (suite)



Les zones de résistance correspondent à des domaines qui ne sont pas déformés ou

présentant une déformation de type

élastique (réversible). Par exemple, pour une contrainte de 200 MPa à une

profondeur de 20 kilomètres, la croûte

présente un comportement élastique.

(27)

Quelques conclusions



La connaissance des géothermes permet La connaissance des géothermes permet

 de prévoir le comportement des matériaux de prévoir le comportement des matériaux f(profondeur) :

f(profondeur) :

 Fusion partielleFusion partielle

 Comportement cassantComportement cassant

 Comportement ductileComportement ductile

 De déterminer 3 zones différentes de dissipation De déterminer 3 zones différentes de dissipation d ’énergie

d ’énergie (dorsale, point chaud, fosse)(dorsale, point chaud, fosse)

 De montrer l’existence d’un mouvement convectif à De montrer l’existence d’un mouvement convectif à l’intérieur du « Globe ».

l’intérieur du « Globe ».