La géothermie est l'utilisation de la chaleur dégagée par la Terre comme source d'énergie pour l'Homme, elle est le reflet du fonctionnement interne de la planète. Cette chaleur n'est pas dégagée uniformément à la surface de la Terre, et il est possible de mesurer le flux géothermique, qui dépend de la conductivité de la roche traversée et du gradient géothermique. La chaleur transférée au sein du globe l'est par deux moyens : conduction et convection (cette chaleur est ensuite évacuée par rayonnement). Pour l'utiliser, l'Homme exploite notamment des aquifères et utilise l'eau soit directement, soit en transformant la vapeur en électricité.
Le flux et le gradient géothermique
Généralités sur le flux et le gradient géothermiques
Le flux géothermique
Le flux géothermique est la quantité de chaleur dégagée à la surface du globe par unité de surface.
Flux géothermique (mW.m-2) = gradient géothermique x conductivité de la roche
La valeur moyenne du flux géothermique est d'environ 60 mW.m-2, (3.1013 W sur une surface de l'ordre de 510.1012 m2) est variable à la surface de la Terre. En particulier, il est :
- Faible dans les zones de fosses océaniques et au niveau des masses continentales.
- Fort dans les zones de dorsales, aux environs des points chauds, dans les bassins d'effondrement.
Le flux géothermique est fort dans les zones géologiquement actives.
Le gradient géothermique
Le gradient géothermique est la variation de température entre deux profondeurs. Ce gradient géothermique varie avec la profondeur, mais au niveau de la croûte le gradient géothermique est de 30°C par kilomètre.
Le gradient géothermique à l'intérieur de la Terre
Origine du flux géothermique
La chaleur de la Terre a différentes origines :
- La radioactivité : elle est responsable de la majeure partie du flux géothermique. Le manteau pour la plus grande part, la croûte et, pour une moindre mesure le noyau possèdent des éléments radioactifs que sont l'uranium 235 et 238, le potassium 40 et le thorium 232 qui se désintègrent naturellement et produisent de la chaleur.
- La chaleur initiale : accumulée par la planète lors de sa formation et qui se libère en continu.
- La chaleur de différenciation : libérée par les roches au cours de leurs changements d'état, c'est-à-dire lors de la formation des roches.
Chaleur initiale
La chaleur initiale est la chaleur que la Terre a accumulée au cours de son accrétion, et qui se libère en continu depuis.
Chaleur de différenciation
La chaleur de différenciation est la chaleur que libère une roche en passant d'un état à un autre.
Un granite, en passant de l'état de fusion partielle à l'état solide, va libérer de la chaleur dite de différenciation.
Les modes de dissipation de la chaleur interne de la Terre
La conduction
Conduction
La conduction est un mode de transfert de la chaleur sans mouvement de matière.
La chaleur correspond à une agitation plus importante des atomes. Dans le cas de la conduction, cette agitation se transmet d'atome à atome au travers de la roche, du chaud vers le froid.
Le transfert de chaleur par conduction se fait essentiellement au niveau des interfaces du manteau, la croûte par exemple, et il reste faible car les roches sont des matériaux peu conducteurs.
La convection
Convection
La convection est un mode de transfert de chaleur impliquant un déplacement de matière. Les corps chauds moins denses s'élèvent et inversement les corps plus froids, et donc plus denses, tendent à descendre.
Au niveau d'un point chaud, il y a convection par remontée de manteau asthénosphérique en fusion partielle.
L'essentiel du flux géothermique est dû à la convection. La convection s'effectue dans les zones où le manteau asthénosphérique en fusion partielle remonte :
- Au niveau des points chauds
- Au niveau des dorsales océaniques
Au vu de ces transferts de matière, la structure interne de la Terre est basée sur des cellules de convection :
- La lithosphère océanique froide plonge dans l'asthénosphère où elle se fond dans la masse des péridotites du manteau
- L'asthénosphère en fusion partielle remonte au niveau des points chauds, et des dorsales océaniques.
Cellule de convection
Une cellule de convection est une cellule de mouvement de matière au sein de la Terre, qui démarre par une plongée de matériau lithosphérique dans l'asthénosphère au niveau des zones de subduction, et qui se termine par une remontée asthénosphérique au niveau d'un point chaud ou d'une dorsale.
L'utilisation de la géothermie
L'utilisation de la géothermie comme ressource énergétique passe essentiellement par l'eau. On utilise des aquifères pour prélever l'eau chauffée par la chaleur interne de la Terre. La quantité d'énergie libérée par la planète est tellement importante que l'on peut qualifier la géothermie de ressource inépuisable. Les ressources géothermiques ne sont pas identiques partout sur notre planète. Les zones géologiquement actives ayant un gradient géothermique plus important, elles facilitent le captage de l'énergie.
Il y a trois types de géothermie :
- La géothermie très basse énergie : l'eau à environ 30°C est directement utilisée, par exemple par les pompes à chaleur géothermiques.
- La géothermie basse énergie : l'eau captée entre 1500 m et 2500 m de profondeur, à une température comprise entre 30 et 100°C, est directement utilisée pour le chauffage.
- La géothermie moyenne et haute énergie : l'eau sous forme gazeuse permet, par le biais de turbines, de produire de l'électricité.
L'utilisation de cette énergie dépend des moyens techniques mis en place et du contexte géodynamique local. On peut citer l'exemple de la centrale électrique de Bouillante en Guadeloupe.
Elle est presque illimitée sachant que les besoins humains ne représentent qu'un infime pourcentage de ce que dissipe la planète au total.
Aquifère
Un aquifère est une formation géologique permettant la circulation de l'eau dans les roches. Il peut être naturel ou artificiel.