Gradient géothermique

Le gradient géothermique est le taux d'augmentation de la température dans le sous-sol à mesure que l'on s'éloigne de la surface[alpha 1]. Il s'exprime en K/m (unité SI) ou, plus usuellement, en K/km (1 K/km = 10−3 K/m).

Le gradient géothermique en Europe est en moyenne d'environ 30 K/km (0,03 K/m) près de la surface, soit une augmentation de 1 °C tous les 33 mètres, 3 °C tous les 100 mètres, 30 °C par kilomètre.

Origine
Évolution de la puissance thermique radiogénique au cours du temps dans les couches internes de la Terre.

Historiquement, la température interne de la Terre a d'abord été attribuée à la chaleur initiale due aux chocs successifs qui se sont produits lors de l'accrétion planétaire. Puis les études ont mis en évidence l'importance de la chaleur de la Terre due à la radioactivité naturelle des roches de sa structure interne : c'est l'énergie nucléaire produite par la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium[1]. Les mesures directes bilan thermique interne de la Terre (en) restent délicates, si bien que de grandes incertitudes persistent sur la part respective de ces deux composantes principales comme source de la chaleur terrestre actuelle. Les études estiment que la contribution de la radioactivité crustale et mantellique représente approximativement la moitié de l’énergie totale dégagée, celle de la chaleur primordiale transmise du noyau de la Terre vers le manteau étant évaluée à 10 et jusqu'à 20 %[2].

La chaleur est dégagée essentiellement par conduction dans la lithosphère rigide (et peut-être dans la graine solide), par convection dans le manteau[3].

La chaleur produite dans la croûte, le manteau et le noyau est évacuée vers la surface de manière hétérogène (voir l'article onde de combustion nucléaire), avec des puissances allant de 25 mW/m2 pour les zones les plus froides jusqu'à 1 W/m2 dans une zone comme la caldeira de Yellowstone.

Sur le continent européen, par exemple dans les régions de la Suisse où ont été étudiés des sondages géothermiques profonds, la puissance est comprise entre 60 et 160 mW/m2.

À l'échelle de temps humaine, l'énergie géothermique est donc d'intensité insuffisante pour constituer une énergie renouvelable. Pour l'exploiter, il faut pouvoir compter sur des circonstances favorables comme l'accumulation de chaleur fossile dans de très grandes masses d'eau, elles-mêmes au contact de la chaleur résiduelle d'un point chaud, comme en Islande, ou de nappes profondes comme c'est le cas du Dogger dans le bassin parisien.

Conséquences

Géologiques

À 25 km de profondeur, la température atteint 750 °C, ce qui correspond à la plupart des températures de fusion des roches continentales[4] pour de faibles pressions. Cependant, du fait de la forte pression lithostatique à cette profondeur, les roches de la croûte et même du manteau terrestres ne sont généralement pas à l'état magmatique, mais bien à l'état solide.

Humaines
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Un puits de houillère typique comme Cuvelette à Merlebach exploitait en 1970 à 686 m sous terre (les tranches d'exploitation se font de haut en bas pour minimiser les coûts). L'ingénieur qui avait mis en exploitation ce niveau savait donc qu'il devrait compter avec une température de 20 °C de plus que la moyenne des températures en surface (un calcul simple d'inertie thermique montre que les variations saisonnières ne peuvent se propager significativement au-delà de 15 mètres de profondeur).

Cela plus le dégagement de chaleur prévisible (personnel et appareils) permet le calcul de la ventilation à mettre en place pour que les conditions de travail restent acceptables, et qui est nommée dans le domaine minier aérage. La puissance nécessaire à cette ventilation conjuguée à la section des galeries empêcherait à cause de la pression d'ouvrir les portes d'aérage si celles-ci n'étaient équipées d'une trappe permettant de réduire quelques secondes cette pression.

Utilisation

Le gradient géothermique peut être utilisé pour le chauffage d'habitations, en combinaison ou non avec le principe de la pompe à chaleur.

Notes et références

Notes
  1. En principe le gradient d'un champ scalaire (comme la température) est un vecteur mais dans le sous-sol le vecteur gradient est essentiellement vertical, c'est pourquoi les géologues ont pris l'habitude d'appeler « gradient géothermique » ce qui est en fait la dérivée de la température par rapport à la profondeur.

Références
  1. (en) Joe Anuta, « Probing Question: What heats the earth's core? », sur physorg.com, (consulté le ).
  2. (en) A. Gando, D. A. Dwyer, R. D. McKeown & C. Zhang, « Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements », Nature Geoscience, vol. 4, no 9,‎ , p. 647–651.
  3. Patrick De Wever, Hervé Martin, L'énergie de la Terre, EDP sciences, (lire en ligne), p. 38.
  4. Bruno Cabanis, Géologie et paysages de Bretagne, Editions Jean-Paul Gisserot, , p. 11.

Voir aussi
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