Géothermie

Evolution de la température au sein du globe terrestre : la géothermie

Pb : Comment expliquer l'hétérogénité thermique du manteau terrestre ?

Fly Geyser, États-Unis, Nevada

Old faithful, États-Unis, Montana

50°C à 700 m de profondeur

Les émissions de lave, les geysers ou certaines sources thermales chaudes sont autant de preuves de l'existence de sources d'énergie internes à la Terre capables d'échauffer les roches en profondeur.

Chaudes-Aigues, France, Cantal

Mine de potasse, France, Alsace

Quelle est l'origine de la chaleur interne terrestre ?

► Calculer l’énergie thermique produite par chacune des enveloppes terrestres puis en tirer une conclusion.

Construire le géotherme

Le géotherme est une modélisation mathématique de la variation de la température avec la profondeur, il est représenté par une courbe sur un graphique dont l’axe des abscisses représente la température et celui des ordonnées, la profondeur. Cette courbe doit passer par un certain nombre de points d’ancrage, soit mesurés directement, soit issus des données expérimentales (courbes P/T de chagements de phases cristallines, extrapolation des conditions de cristallisation du fer à haute pression…).Il s’agit dans cet exercice de le construire, sur du papier millimétré.Le gradient géothermique est la variation de température par unité de profondeur :

Grad = ΔT/Δz = (T2-T1)/(z2-z1) en °C/m T : température en degrés Celsius (°C) z : profondeur en mètres (m)

► Les mesures de températures dans les mines indiquent une augmentation de 30°C tous les km (beaucoup plus dans certaines régions volcaniques, d'où l'existence de geysers, sources chaudes...). Quel est le gradient géothermique de surface dans la croûte ? Le tracer pour une croûte d’épaisseur 30 km. C'est une représentation particulière avec la température en abscisses et les profondeurs en ordonnées dirigées vers le bas (pour simplifier, on prendra une température de 0°C en surface).► Estimer, si ce gradient était conservé, la température au centre de la Terre.► Sachant que dans les conditions de pression du manteau, une température supérieure à 4000°C provoque la fusion de la péridotite, et que le manteau est quasi entièrement solide (sauf au niveau de quelques zones de fusion partielle), que pensez-vous d’un tel résultat ?

Construire le géotherme (suite)

Les points d'ancrage du géotherme

Par la suite, on cherche à savoir pourquoi les différentes enveloppes ont des gradients géothermiques différents. Pour cela, il faut comprendre comment la chaleur terrestre y est dissipée. Il existe 2 modes possibles de transfert de chaleur au sein des roches : la convection et la conduction. On réalise deux dispositifs expérimentaux afin de comparer l'efficacité de ces deux modes de transfert de chaleur.

La conduction correspond à un transfert de chaleur sans déplacement de matière, elle repose sur l'agitation moléculaire, atomique, de proche en proche.

La convection correspond à un transfert de chaleur avec déplacement de matière, elle repose sur la formation de cellules de convection.

dispositif de mesure de l’efficacité du transfert de l’énergie thermique par conduction

dispositif de mesure de l’efficacité du transfert de l’énergie thermique par convection

Résultats

Résultats

► Confronter les résultats précédents à votre géotherme. En déduire dans quelles parties du globe il y a conduction / convection.

► Observer la modélisation de la convection dans la vidéo ci-contre et interpréter ce qui se produit. Résoudre enfin le problème de départ : expliquer l'origine de l'hétérogénéité du manteau terrestre.