Chap V: La géothermie : Les propriétés thermiques de la terre et leur exploitation

 

TP 9

 

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ressources TP 9

Géothermie dans le monde.kmz

 Géothermie de France.kmz 

Alsace.kmz – Bouillante.kmz

FT  du logiciel Google Earth

Exel

 

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I- quels sont les caractéristiques du gradient géothermique et  du flux géothermique  terrestres?

A- Gradient géothermique  et flux géothermique

Histoire de la géothermie

les premières traces d’utilisation de la géothermie par l’homme remontent à près    de 20 000 ans.

La pierre volcanique

Les régions volcaniques attiraient déjà beaucoup les hommes avec l’existence de sources chaudes. Celles-ci pouvaient servir à la cuisson des aliments, la baignade ou le chauffage.

Les bains thermaux

A partir de 3500 avant JC, les premières civilisations utilisent des bains thermaux. C’est la civilisation romaine qui perfectionnera les bains publics à un niveau très élevé.

Les établissements thermaux et de loisirs sont aujourd’hui très répandus un peu partout dans le monde et plus particulièrement dans les régions volcaniques.

Le premier réseau de chauffage géothermal

Dès 1330, en Auvergne, des archives mentionnent un réseau qui distribuait de l’eau chaude à quelques maison grâce à la source du par ( source thermale la plus chaude d’Europe avec 82°C)

Puis vers 1400, on en fait un usage industriel pour le lavage de la laine et la cuisine.

La géothermie haute énergie:

 En 1904,le prince G.Conti allume cinq ampoules grâce à une dynamo actionnée par un moteur alternatif utilisant de la vapeur géothermique. L’année suivante, la première centrale est construite.

Bilan

Gradient géothermique :

– c’est la variation de la température en fonction de la profondeur

en moyenne : 3°C pour 100m, mais variable d’une région à l’autre avec des valeurs comprises entre 1 et 10°C pour 100m.

Pour l’estimer on ne dispose de mesures directes que pour les premiers km de la croûte. Pour des profondeurs plus élevées les valeurs sont calculées de manière indirecte grâce à la tomographie sismique.

Le flux géothermique:

correspond à une certaine quantité d’énergie libérée à la  surface du globe. Ce qui représente un débit d’énergie, c’est-à-dire une puissance.

Il dépend du gradient géothermique et de la conductivité thermique des roches du sous-sol.

– Il présente donc des valeurs différentes selon la région étudiée.

Le  Flux géothermique (W/m2) = conductivité thermique (W/m/K) x gradient géothermique (K/m)

sa valeur moyenne est de 65 mW/mou 0,065 W /m2  ou  J. m–².s–1,

B-Origine du flux géothermique

1/ l’énergie interne totale

2/ la désintégration d’éléments radioactifs

B-Origine du flux géothermique

1/ l’énergie interne totale

Le système solaire s’est formé, il y a 4,56 G.a. à partir d’un nuage de poussières provenant de l’explosion d’une supernova.

Il s’est produit une accrétion et une agglomération des poussières en blocs de plus en plus grands.

Les différents et successifs, impacts de corps célestes (météorites, astéroïdes, planétoïdes…) ont produit une énorme quantité d’énergie qui a été internalisée.

Quand la planète primitive a acquis sa taille définitive, (4,5 G.a), elle était constituée de matériaux en fusion : c’était la proto-Terre.

La surface a rapidement évacué cette chaleur initiale puis s’est refroidie pour donner la croûte.

Pour les couches internes, ce processus a été beaucoup plus lent et se poursuit encore actuellement.

Bilan:

L’énergie gravitationnelle (énergie cinétique et énergie potentielle) libérée par  les impacts à permis la différenciation de la Terre en enveloppes concentriques.

Les couches profondes conservent donc cette chaleur d’accrétion.

On estime que la part d’énergie interne provenant de la chaleur primitive représente 25 % de l’énergie interne totale.

B-Origine du flux géothermique
2/ la désintégration d’éléments radioactifs

La part de cette énergie thermique est estimée à 75 % de l’énergie interne

La désintégration d’isotopes radioactifs (U, Th, K…) est la source essentielle de l’énergie interne du globe.

Ce mécanisme correspond à la désintégration spontanée de noyaux atomiques instables s’accompagnant d’une libération importante d ‘énergie sous forme de chaleur.

La production de chaleur interne par radioactivité a diminué depuis le début de l’histoire de la Terre mais elle reste importante.

Bilan :

L’énergie géothermique provient de la désintégration des  substances radioactives contenues dans les roches.

Le manteau en est le principal producteur. Cette énergie est dissipée vers la surface.

Le flux géothermique émis à la surface est très variable :

selon l’espace  : Il est fort au niveau DO et PC, en raison de la production de lithosphère nouvelle. Il est minimal au niveau des fosses

selon le temps: la périodicité des remontées des flux magmatiques et donc  des épisodes éruptifs

Pb II- quels sont les mécanismes de transfert de la chaleur interne du globe, vers la surface ?
A- les mécanismes de transfert

La valeur mesurée du gradient géothermique est de l’ordre de 30° par kilomètre dans la croûte continentale.

La valeur élevée du gradient géothermique dans la lithosphère indique la chaleur est ici transmise par conduction.

Le gradient thermique est faible dans le manteau terrestre (0,5 °c) ce qui suppose qu’il existe un autre mécanisme beaucoup plus efficace de transfert de la chaleur interne. La conduction thermique ne permet pas à elle seule l’évacuation de la chaleur interne et n’explique pas l’inégale répartition du flux géothermique en surface.

La conduction

La convection

Le transfert de chaleur

Bilan

Il existe 2 types de transfert d’énergie thermique

La conduction :

La chaleur se transmet de proche en proche au sein d’un milieu. La chaleur, à l’échelle atomique, correspond à une agitation des atomes; les atomes agités, en « heurtant » leurs voisins, augmentent leur niveau de désordre et donc leur température.

La convection:

Le transport de la chaleur qui s’accompagne de mouvements de matière: c’est le déplacement de matière chaude qui provoque le transfert de chaleur et donc l’élévation de température.

Conclusion:

La Terre dissipe l’énergie thermique par conduction dans la lithosphère et essentiellement par convection dans le manteau.

Remarques

Les ondes électro-magnétiques peuvent aussi transporter de la chaleur par rayonnement (c’est le cas de la chaleur solaire dans l’espace); ce processus est bien évidement inopérant dans un milieu opaque.

B- La répartition du flux géothermique

On observe que :

-les zones où le flux géothermique est élevé se superposent aux dorsales, aux zones où il y a du magmatisme, des volcans et les zones froides aux zones de subduction.

l’ouest du Pacifique où on observe un chapelet de petites zones plus chaudes le long de la zone de subduction.

Bilan :

L’énergie thermique présente dans le manteau est à l’origine de la convection mantellique.

En effet les conditions de pression et de température rendent les roches du manteau, les péridotites, ductiles.

Or la convection au sein des roches dépends aussi de leur capacité à s’écouler et donc de leur viscosité.

Ces mouvements sont à l’origine de l’activité sismique et magmatique du globe, la terre est ainsi une machine thermique.

La tomographie sismique

Rappel :

Elle compile les enregistrements de très nombreux séismes et relève les anomalies de vitesse sismique. Une zone provoquant un ralentissement des ondes, aura une anomalie négative, ce qui sera interprété comme une zone plus chaude que la norme. Inversement une zone permettant une accélération des ondes aura une anomalie positive, ce qui sera considéré comme une zone plus froide.  Elle permet de visualiser les anomalies de température dans le manteau.

La vitesse des ondes sismiques dépend de l’état physique du corps qu’elles traversent :

Plus un corps est mou, liquide et donc chaud plus les vitesses des ondes sismiques sont ralenties ;

plus un corps est rigide et donc froid et plus la vitesse sera élevée.

Observations:

On constate une zone d’anomalie négative à l’aplomb des îles Samoa et nous précise que ces îles présentent un important magmatisme de point chaud.  Il y a donc ici au niveau de cette île du Pacifique une remontée de matériel chaud et profond.  Le point chaud va poinçonner la plaque qui se déplace d’où formation d’un alignement d’îles, d’un archipel d’île volcaniques. Seule la plus récente est encore en activité.

On observe une bande d’anomalie positive qui s’enfonce plus ou moins profondément.  (Environ  700 à 1700 km de profondeur selon les cas) Cela signifie qu’un corps froid s’enfonce en profondeur.

La lithosphère océanique froide et dense plonge dans l’asthénosphère au niveau des zones de subduction. Ceci est le principal moteur des mouvements de divergence des plaques au niveau des dorsales. Cette divergence entraîne la remontée de matériau chaud et peu profond (300 km) sous la dorsale ou à l’aplomb de certains rifts.

Les principaux mouvements de convection ascendants dans le manteau sont des panaches de matériaux issus des profondeurs du manteau (2900km) et à l’origine d’un magmatisme de point chaud. Rappel de 1ère S : modèle de Arthur Holmes 1945, passé inaperçu à l’époque car on pensait à l’époque que les mouvements de matière à l’état solide sont impossibles.

Conclusion:

La tomographie sismique nous permet de visualiser les mouvements de convection qui animent le manteau

Principe de la tomographie sismique

Coupes de tomographie sismiques

C- La convection mantellique et ses conséquences sur la tectonique des plaques

La convection se fait à un ou deux niveaux.  Les zones de remontées et les zones de plongée

Les zones de remontées correspondent à deux types de contextes géologiques :

– Les points chauds :

remontées ponctuelles et massives de grandes quantités  de matériel chaud depuis le noyau.  

D’énormes quantités de chaleur sont mises en jeu et se traduisent par un important  magmatisme.

On observe des éruptions massives de laves basaltiques: Trapps du Deccan, îles volcaniques..

Les dorsales:

zones de remontée de très grandes longueurs, affectant juste la partie supérieure du manteau.

Dans les deux cas la remontée du manteau est suffisamment rapide pour entraîner sa  décompression et donc sa fusion .

Les zones de plongée correspondent aux zones de subduction  Les plaques plongeantes peuvent suivre deux trajectoires différentes :

  –  soit elles restent en dessus de la limite asthénosphère/mésosphère,

  –  soit elles plongent en profondeur jusqu’à la limite manteau/noyau.

La convection mantellique est un mode efficace de dissipation de l’énergie interne.  Elle est à l’origine de la tectonique des plaques.

Bilan

Les plaques sont mises en mouvement par la convection mantellique qui correspond à un transport de chaleur très efficace par mouvement de matière solide.

Cette convection ainsi que la conduction contribuent à la dissipation de l’énergie interne de la Terre qui a pour origine essentielle la désintégration de certains isotopes radioactifs

La Terre se refroidit donc progressivement. Sa température globale est encore suffisante pour permettre les activités volcaniques et tectoniques.

Remarques :

Ce n’est plus le cas de la t° de Vénus qui ne présente plus d’activité tectonique.

Seules les planètes telluriques les plus grosses conservent encore à l’heure actuelle une activité tectonique.

Les planètes plus petites telle que Mars ont en eu une par le passé.

Toutes les planètes ont emmagasiné de la chaleur il y a 4,6 Mds d’années c’est à dire au moment de leur formation.

Les planètes les plus petites se sont refroidies rapidement en 500 M.a., alors que la t° des plus grosses décroît plus lentement.

L’activité volcanique et tectonique dépend directement de la température.

III – L’exploitation de l’énergie géothermique

A- les régions à fort potentiel géothermique dans le monde.  Voir TP 9

B- En France  voir TP 9

C- les applications de l’exploitation géothermique

La géothermie très basse énergie

Géothermie des nappes phréatiques de faible profondeur .

Leur températures situées entre 10°C et 30°C.

Utilisation directe : en horticulture (chauffage des serres) et en pisciculture (alimentation en eau chaude des bassins d’élevage de poissons).

Utilisation indirecte : avec une pompe à chaleur pour élever le niveau de température (application au chauffage et à la climatisation).

La géothermie basse énergie

L’eau est soumise à une pression naturelle qui la pousse et la remonte partiellement dans les puits.

Dans certains cas l’importance de cette pression suffit à  la faire jaillir.

Elle peut être utilisée pour le chauffage urbain

La géothermie très haute énergie

C’est la géothermie des régions volcaniques .

La vapeur d’eau ou de l’eau sous pression est disponible à faible profondeur

Leur température comprises entre 150°C et 300°C.

Possibilité de la convertir en électricité

Bilan du chapitre

La terre une machine thermique

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