Gradient et flux géothermiques
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 ?
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) |
|||
| 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).
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 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.
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