Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
La Terre produit de l'énergie. C'est, avec l'énergie solaire, des sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine. La géothermie consiste à utiliser la chaleur interne de la Terre pour produire de la chaleur et de l’électricité.
Comment l’énergie interne de la Terre est-elle devenue une source énergétique d’avenir pour l’Homme ?
I- L’énergie géothermique, exploitations et contextes géodynamiques.
Le Gradient géothermique ou accroissement de la température avec la profondeur varie avec:
- La composition chimique des roches (proportion en éléments radioactifs), - Le contexte géodynamique, •
- La convection, si présence d’eau.
- La variation de conductivité thermique (capacité à transférer la chaleur par conduction thermique) des couches sédimentaires.
Il est en moyenne de 31°C/km en France (110°C/km dans le 1er km en Alsace, mais 12°C/km dans la région de Rennes).
Le gradient géothermique correspond aux variations de températures en fonction de la profondeur. Les mesures de températures dans les mines et les forages profonds montrent que la température augmente de 3°C tous les 100 mètres dans la croûte continentale. Ce gradient n’est pas aussi fort dans toutes les couches terrestres.
Le gradient est également plus fort au niveau des zones actives du globe (dorsales, voir 1ère S).
Le géotherme terrestre est la courbe ci-contre qui représente les températures des roches à différentes profondeurs.
Le flux géothermique est la quantité d’énergie
évacuée par la Terre, exprimée par unité de surface terrestre et par unité de temps. Doc 2 p 242.
Le flux moyen est de 65 mW.m-2 à la surface des continents et de 101 mW.m-2 à la surface du plancher des océans soit 87 mW.m-2 pour l'ensemble du globe. Le flux thermique en un point donné est obtenu en multipliant la conductivité thermique et le gradient thermique. Il dépend de la radioactivité des roches et du refroidissement de la chaleur initiale de la terre par cristallisation du noyau terrestre et il est variable suivant le contexte
Ce gradient est variable d’une région géologique à une autre. L’homme extrait ces fluides pour exploiter cette énergie. L’énergie géothermique chauffe les roches et les fluides qui peuvent y circuler.
L’Homme peut alors réaliser des forages afin d’extraire les fluides présents dans les aquifères (nappes d’eau souterraine) et utiliser cette eau chaude pour le chauffage ou pour produire de l’électricité.
Le volcanisme, les sources d’eau chaude, les geysers… sont autant de manifestations géologiques qui sont la conséquence de l’énergie interne de la Terre.
Selon la température de l’eau captée, on distingue plusieurs types de géothermie et à ces différents types de géothermie correspondent des usages différents :
- La géothermie de très basse énergie qui exploite les aquifères à moins de 100m/température inférieure à 30°C.
- La géothermie de basse énergie qui exploite des nappes dont la température est comprise entre 30 et 90°C à une profondeur de 1500 à 2500m.
- La géothermie moyenne énergie, qui exploite des nappes dont la température est comprise entre 90 et 150°C, situées à une profondeur d’environ 1000m dans les régions à fort gradient géothermique (zones volcaniques) ou à grande profondeur (2000 à 4000m) dans des bassins sédimentaires.
- La géothermie haute énergie, qui exploite des aquifères de température supérieure à 150°C ; profondeur de 1500 à 3000m dans des régions à gradient géothermique élevé. Exemple : zones de subduction, rift, points chauds
- La géothermie profonde des roches sèches, qui nécessite la création d’un gisement géothermique par injection d’eau à grande profondeur (3000 à 5000m).
L’énergie géothermique est la 4e source de production d’électricité après l’hydraulique, la biomasse et l’éolien.
On compte actuellement 350 installations géothermiques dans le monde mais leur répartition est très variable.
Seules les régions possédant un gradient géothermique élevé peuvent produire de l’électricité par géothermie (dorsales, arcs volcaniques des zones de subduction, points chauds et rifts continentaux).
L’énergie géothermique est une énergie renouvelable : le gradient géothermique de la Terre permet de réchauffer en permanence les roches et l’eau qui s’infiltre dans les profondeurs. Elle ne produit pas non plus de déchets (peu de gaz à effet de serre). En outre, le prélèvement d’énergie géothermique par l’Homme ne représente qu’une infime partie de l’énergie dissipée par la Terre.
L'utilisation de la géothermie est fondée sur un principe simple : l'eau des aquifères (nappe d’eau souterraine) plus ou moins profonds se réchauffent du fait de l'existence d’un gradient géothermique particulier. On peut alors pomper l'eau et récupérer les kW accumulés. On peut alors réinjecter l'eau dans l'aquifère de façon à ce que la zone soit géologiquement stable et que l'aquifère soit toujours alimenté.
II- Origine de l’énergie thermique et sa dissipation dans le globe.
A. Origine de l’énergie thermique.
P 244
Ce sont les désintégrations d'éléments radioactifs qui sont la principale origine de la chaleur terrestre. Ces éléments sont au nombre de 4 principaux, le potassium 40, le thorium, l'uranium 235 et l'uranium 238.
Ces éléments radioactifs naturels sont emprisonnés dans les minéraux des roches depuis la formation de la planète. Leur désintégration a commencé à ce moment-là, mais c’est un processus très lent et il reste donc encore beaucoup d’isotopes radioactifs
non désintégrés dans les profondeurs du globe. Par exemple, la période radioactive (demi-vie) de l’uranium 238 est de 4,5 milliards d’années : la moitié s’est désintégrée seulement depuis la naissance de la Terre.
La croûte continentale est plus riche en isotopes radioactifs que le manteau et le noyau car ils s’intègrent bien dans le granite. Cependant, le volume du manteau est tel que c’est lui qui produit le plus de chaleur (70%
environ).
B. Les mécanismes de transfert thermique dans le globe.
Doc 3 et 4 p 245
Le transfert de la chaleur de la profondeur vers la surface de la Terre se produit principalement par deux mécanismes : la conduction et la convection.
- La conduction est le transfert de chaleur par agitation des atomes, de proche en proche, sans déplacement de matière dans les solides. Cela se traduit par un fort gradient géothermique comme dans la lithosphère, la température au sommet de la LVZ atteint 1300°C entre 10 et 20°C par km.
- La convection est le transfert de chaleur par déplacement de matière, d’une zone chaude peu dense en bas vers une zone froide plus dense en haut dans les liquides. La matière chaude à tendance à s’élever, puis à refroidir et à terme cette matière froide plus dense va descendre puis s’échauffer etc. Il se forme alors une cellule de convection. Le gradient géothermique y est faible comme dans le manteau asthénosphérique, c’est le mode de transfert le plus efficace depuis des zones chaudes basses vers des zones plus froides au-dessus.
On peut donc affirmer que dans les enveloppes de nature liquide de la planète (manteau inférieur, noyau externe) la chaleur se propagera par convection alors que dans les enveloppes solides (lithosphère, noyau interne), ce sera la conduction qui jouera.
C. La Terre, une machine thermique
Docs p 246-247 et p 232
A l’échelle de la planète, les remontées et les descentes de matériel ne se font pas au même endroit : des cellules de convection sont ainsi mises en place dans le manteau :
- Du matériel chaud remonte au niveau des dorsales océaniques (flux géothermique important)
- Du matériel froid descend au niveau des zones de subduction (flux géothermique faible des fosses océaniques).
L’énergie interne est donc transférée par convection de la profondeur vers la surface. Au niveau de la lithosphère, la chaleur est évacuée par conduction tout comme à l’interface noyau/manteau. La convection, véritable machine thermique est donc un moyen efficace pour évacuer la chaleur interne de la Terre.
Les points chauds contribuent également à évacuer par convection la chaleur interne de la Terre. Ce sont des zones caractérisées par un flux géothermique important, dû à la remontée rapide vers la surface de matériel chaud et peu dense à la limite du manteau et du noyau. Ce matériel entre en fusion au niveau de la lithosphère et vient la perforer, formant des édifices volcaniques caractéristiques (trapps, alignements insulaires comme Hawaï.)
