Gradient et flux géothermiques
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- Définir le flux géothermique.
- Caractériser le gradient géothermique dans les profondeurs de la Terre.
- La Terre produit de la chaleur du fait de la désintégration des éléments radioactifs qui composent ses enveloppes.
- Cette énergie se dissipe en surface et est à l'origine du flux géothermique qui est mesurable.
- Ce flux ne sera pas uniforme à la surface du
globe :
- il est très élevé à l'aplomb des dorsales océaniques ;
- il faible au niveau des fosses et des zones de subduction ;
- plus le Moho est proche de la surface, plus le flux sera important.
- On enregistre une augmentation de la température au sein de la Terre en fonction de la profondeur. Cette augmentation est appelée gradient géothermique. La courbe représentative de cette température en fonction de la température est appelée le géotherme.
- L'origine principale du flux géothermique provient de la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches.
Il est établi entre l'intérieur chaud
(≥ 3500 °C) et l'extérieur plus froid
(≈ 15 °C).
La quantité de chaleur dissipée par la
planète est en moyenne de 3.1013
W.
Le flux géothermique varie selon le contexte
géodynamique.
Il sera très élevé à
l'aplomb des dorsales océaniques : la croute
océanique étant de faible
épaisseur, le manteau chaud est proche de la
surface.
A contrario, il sera faible au niveau des
fosses et des zones de subduction : l'emplacement
du flux faible est associé au plongement de la
lithosphère âgée devenue dense sans
le manteau.
On peut également trouver un flux
géothermique élevé sur les
continents, comme en Alsace. Cette région se
trouve dans un fossé d'effondrement qui
présente une croûte continentale
amincie, rapprochant ainsi le manteau de la
surface.
Elle permet d'estimer la température à
une profondeur donnée. Le
géotherme n'est pas uniforme au sein des
différentes enveloppes du globe.
Au niveau de la croûte, le gradient
géothermique est de 30 °C.km-1
(soit 3 °C par 100 m dans la partie superficielle
de la croute terrestre).
Ces substances sont l'uranium 238U,
235U, le potassium 40K et le
thorium 232Th (Tableau 1).
On remarque que c'est la désintégration
de l'Uranium qui produit le plus de chaleur.
| Éléments radioactifs majeurs | Concentration dans les enveloppes constitutives du globe (ppm) |
Production de chaleur par unité de
masse (W.kg-1) |
|||
| Croûte continentale | Croûte océanique | Manteau | Noyau | ||
|
Uranium (235U et 238U) |
1,6 | 0,9 | 0,015 | 10-5 | 162.10-6 |
| Thorium (232Th) | 5,8 | 2,7 | 0,08 | 10-4 | 6,6.10-6 |
| Potassium (40K) | 25 000 | 4 000 | 200 | 1 | 4,8.10-9 |
Tableau 1 : Énergie d'origine radioactive, concentration en éléments radioactifs de chaque enveloppe terrestre. (1 ppm = 10-6 kg par kg de roche).
L'énergie totale produite par désintégration d'éléments radioactifs est de 22,6.1012 W (Tableau 2).
| Croûte continentale | Croûte océanique | Manteau | Noyau | Total | |
| Masse (en kg) | 1,38.1022 | 0,69.1022 | 398.1022 | 197.1022 | |
| % de la masse totale | 0,23 | 0,11 | 66,6 | 32,9 | |
| Énergie produite par la désintégration d'éléments radioactifs (en TW = 1012 W) | 5,76 | 1,26 | 15,59 | 0,014 | 22,6 |
| % de l'énergie totale | 25,46 | 5,57 | 68,92 | 0,06 |
Tableau 2 : Énergie produite par les différentes enveloppes de la Terre.
Le flux thermique moyen de la planète est de
3.1013 W, pour une superficie de la Terre de
510.106 km2, ce qui donne un flux
moyen de 60 mW.m-2.
Le flux thermique est variable : le flux moyen des
continents est de 55,7 mW.m-2, celui des
océans de 67 mW.m-2.
Il existe d'autres sources d’énergie interne
:
• la chaleur initiale : c'est le
refroidissement des matériaux terrestres profonds
qui libèrent ainsi l’énergie
accumulée pendant l’accrétion du
globe produisant 1,23.1013 W.
• la chaleur de différenciation :
c'est l'énergie libérée par le
changement d’état des matériaux
terrestres profonds, au niveau du noyau, les
mécanismes de cristallisation du noyau externe
liquide en solide produisant 0,47.1013 W.
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