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Gradient et flux géothermiques

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Objectif(s)

La Terre présente une température moyenne de 15 °C, en partie due à l'énergie solaire reçue et absorbée par la globe terrestre. Cependant on dénote également un flux thermique dont l'origine est interne et qui se dirige vers la surface.
Qu'est-ce que le flux géothermique et comment se caractérise le gradient géothermique dans les profondeurs de la Terre ?

1. La dissipation de l'énergie interne et son origine

a. En surface, le flux géothermique

La dissipation de l'énergie interne du globe correspond au flux géothermique.

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.

b. En profondeur, le géotherme

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.

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).

2. Les sources de chaleur interne

L'origine principale du flux géothermique provient de la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches.

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)
Éléments radioactifs majeurs	Croûte continentale	Croûte océanique	Manteau	Noyau	Production de chaleur par unité de masse (W.kg^-1)
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).

On remarque que c'est le manteau qui libère le plus d'énergie soit 68 % de l'énergie totale libérée. Cela s'explique par son grand volume, même si les éléments radioactifs y sont faiblement concentrés.

	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.

L'essentiel

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 ; plus le Moho est proche de la surface, plus le flux sera important. Cette géothermie représente une source d'énergie inépuisable que l'Homme est capable déjà capable d'exploiter. Cependant, seules de rares infrastructures utilisent l'énergie géothermique.