La géothermie et les propriétés thermiques de la Terre

Sommaire

La terre est un réservoir de calories naturellement stockées dans le sol profond. La croute supérieure est régénérée par le rayonnement solaire, les pluies, le vent et la conductivité thermique du sol.

La géothermie

Autour du noyau énergétique très dense qui s'est organisé, il y a 4,55 milliards d'années, par gravitation de matériaux très variés (chaleur initiale évaluée entre 3 000 et 4200 °C), s'est constitué un « manteau » de roches contenant des éléments radioactifs. La désintégration de ces éléments radioactifs enfermés sous cette « croûte » terrestre produit de la chaleur, mais le flux naturel parvenant à la surface est extrêmement faible. Selon la chaleur géothermique restituée par le sol (la puissance énergétique augmente en moyenne de 4 °C tous les 100 mètres de profondeur).

Les catégories de la géothermie

La géothermie haute énergie

Elle se situe dans les régions volcaniques où la vapeur ou l'eau sous pression est accessible à relativement faible profondeur (entre 1500 et 3000 m) les gisements de température sont supérieurs à 150 °C température suffisante pour servir à actionner un turbo-alternateur) ces ressources sont utilisées essentiellement pour la production de l'électricité.

La géothermie moyenne énergie

Elles sont situées dans les zones géographiques ayant un fort gradient géothermique, par exemple l'installation située à Bouillante (Guadeloupe), au pied du volcan de la Soufrière, le puits de forage est de 340 m de profondeur de l'eau et de la vapeur en jaillissent à 160 °C, générant une puissance installée de 23 GW, elle permet la production d'électricité avec un fluide intermédiaire. Il s'agit de la seule installation de ce type en France métropolitaine dans laquelle l’eau possède une température de 90 °C à 180 °C, elle est puisée dans des profondeurs inférieures à 1000 m.

La géothermie basse énergie

Celle des aquifères profondes ou bassins sédimentaires situés à quelques centaines de mètres de profondeur, sources dont la température se situe entre 30 et 90 °C. Il s'agit là des installations destinées notamment au chauffage urbain, chauffage de serres, à l'utilisation de chaleur dans des procédés industriels, à la balnéothérapie, au thermalisme. Actuellement, plus de 70 installations ont été réalisées en France.

A l'origine l' univers très concentré avait une température de 3000 degrés, les astrophysiciens ont démontré que l'univers est en expansion et se refroidit.

L'origine de la chaleur

Sous l'effet de sa masse, le cœur de la Terre a été soumis à une pression intense, il s'est échauffé, puis a commencé un dégagement de chaleur, emmagasinée lors de l'accrétion et la libération de la chaleur produite par la désintégration des éléments radioactifs. 90 % de l'énergie dissipée provient de la chaleur dégagée par le refroidissement du noyau de la Terre est complétée par la désintégration des éléments radioactifs naturels présents dans ses roches : uranium, thorium, potassium, etc. La chaleur émise par la fission varie selon l'âge des roches : les gradients géothermiques sont plus élevés dans les jeunes plates-formes, comme en France et en Europe du Sud, que dans les socles anciens, comme en Scandinavie. La chaleur émise par la fission varie également avec la composition chimique des roches (elle est environ trois fois plus élevée, par exemple, pour les granites que pour les basaltes).

Le flux de chaleur

Comme évoqué plus haut, des poussières, des gaz, des roches se sont assemblés par accrétion pour donner naissance à la Terre. Au centre, dans le noyau, une énergie considérable s'est accumulée dans la masse. Elle correspond à l'énergie potentielle issue de la condensation de la planète. Une véritable fournaise : la température du noyau avoisine les 4 200 °C. Le manteau de roche en fusion qui l'entoure a une température variant entre 1 000 et 3 000 degrés. Une infime partie de l'énergie arrive donc jusqu'à nous par conduction, car les roches intermédiaires de l'écorce terrestre sont de très mauvais conducteurs, c'est ce « flux de chaleur » qui explique le gradient géothermal.

Les observations directes ne dépassant pas les dix premiers kilomètres de la croûte terrestre, les connaissances scientifiques reposent essentiellement sur l'étude de phénomènes de propagation des ondes sismiques naturelles ou provoquées lors d'explorations géophysiques. Trois enveloppes principales ont pu être identifiées dans la structure du globe. Au centre, sur un rayon de 3 470 km, un alliage de fer et de nickel, solide au cœur et liquide autour, forme le « noyau », qui représente seulement 16 % du volume total, mais 67 % de la masse terrestre. Il est entouré du « manteau » sur une épaisseur de 2 900 km. Riche en silicate de fer et magnésium, le manteau représente plus de 80 % du volume du globe.
En périphérie vient l'écorce ou « croûte », enveloppe moins dense dont l'épaisseur varie énormément, puisqu’elle peut atteindre entre 30 et 70 km dans les zones continentales, 20 km sous les océans, et seulement quelques kilomètres au niveau des dorsales et des rifts. L'écorce et la partie supérieure du manteau constituent la lithosphère. Cet ensemble rigide, divisé en plusieurs plaques, flotte sur une couche inférieure du manteau : l'asthénosphère.

Le gradient géothermal

L'accroissement de la température en fonction de la profondeur est appelé « gradient géothermal ». Il est en moyenne, sur la planète, de 3,3 °C par 100 mètres, le flux d'énergie thermique à l’origine de ce gradient étant de l'ordre de 60 mW/m2. Mais ces valeurs peuvent être nettement supérieures dans certaines zones instables du globe, et même varier de façon importante dans les zones continentales stables. Ainsi, le gradient géothermal est en moyenne de 4 °C tous les 100 m en France, et varie de 10 °C/100 m dans le nord de l'Alsace à seulement 2 °C/100 m au pied des Pyrénées.