La Terre est un corps chaud qui perd continuellement de l'énergie vers l'espace. Ce chapitre présente l'origine de cette chaleur interne, le mécanisme de la conduction thermique, le gradient géothermique observé dans les forages et ses applications à la géothermie. Ce chapitre, plus court que les précédents, complète la panoplie des méthodes géophysiques du module.
1. Les origines de la chaleur terrestre
La chaleur interne de la Terre a deux origines principales. Une part est résiduelle, héritée de l'accrétion de la planète et de la différenciation gravitationnelle qui a séparé le noyau métallique du manteau silicaté, événements qui ont libéré une énergie considérable progressivement dissipée depuis. L'autre part est produite en continu par la désintégration radioactive d'isotopes instables (uranium, thorium, potassium) présents en faible quantité dans le manteau et surtout dans la croûte continentale, plus riche en éléments radioactifs que le manteau. Cette chaleur s'évacue vers la surface par conduction dans la lithosphère rigide et par convection dans le manteau plus profond, plus ductile.
2. La conduction thermique et la loi de Fourier
Dans un milieu solide comme la croûte terrestre, la chaleur se transmet essentiellement par conduction : l'agitation thermique se propage de proche en proche sans déplacement de matière. La loi de Fourier énonce que le flux de chaleur (l'énergie transmise par unité de surface et de temps) est proportionnel au gradient de température et dirigé des zones chaudes vers les zones froides ; le coefficient de proportionnalité est la conductivité thermique du matériau, propre à chaque roche selon sa nature et sa porosité. Cette loi est l'analogue thermique direct de la relation entre champ et gradient de potentiel vue au chapitre 1.
3. Le gradient géothermique et le flux de chaleur
Le gradient géothermique désigne l'augmentation de température avec la profondeur, mesurée dans les forages : il est en moyenne plus élevé dans la croûte continentale superficielle qu'en profondeur, où le régime devient plus complexe. Le flux de chaleur en surface, obtenu à partir du gradient géothermique local et de la conductivité thermique des roches traversées (loi de Fourier), varie fortement selon le contexte géodynamique : il est nettement plus élevé au niveau des dorsales océaniques et des zones volcaniques actives, plus faible sur les cratons continentaux stables et anciens.
4. Applications géothermiques
La mesure et la modélisation du champ de température du sous-sol fondent l'exploitation de l'énergie géothermique, exploitée directement pour le chauffage dans les zones à gradient modéré, ou convertie en électricité dans les zones à fort flux de chaleur associées à un réservoir géothermal (roches perméables saturées d'eau chaude ou de vapeur, souvent en contexte volcanique ou de faille active). L'étude du flux de chaleur sert également en géologie fondamentale : elle contraint l'âge et l'épaisseur de la lithosphère océanique, dont la température — et donc la densité et la profondeur du plancher — décroît systématiquement en s'éloignant de la dorsale où elle s'est formée.
Taux d'augmentation de la température avec la profondeur dans la croûte terrestre, mesuré en forage ; il varie selon le contexte géodynamique.
Loi selon laquelle le flux de chaleur par conduction est proportionnel au gradient de température, dirigé des zones chaudes vers les zones froides, avec pour coefficient la conductivité thermique du milieu.
| Contexte | Flux de chaleur | Explication |
|---|---|---|
| Dorsale océanique | Très élevé | Remontée de magma, lithosphère jeune et mince |
| Zone volcanique active | Élevé | Proximité d'un réservoir magmatique |
| Craton continental ancien | Faible | Lithosphère épaisse et stable, refroidie |
Contexte géodynamique et flux de chaleur
- La chaleur terrestre a deux origines : chaleur résiduelle d'accrétion et chaleur produite par la désintégration radioactive.
- La loi de Fourier relie flux de chaleur, gradient de température et conductivité thermique du matériau.
- Le gradient géothermique se mesure en forage ; le flux de chaleur en dérive avec la conductivité des roches traversées.
- Le flux de chaleur est maximal aux dorsales océaniques et dans les zones volcaniques, minimal sur les cratons anciens.
- La géothermie exploite directement ce gradient pour le chauffage ou, en zone à fort flux, pour produire de l'électricité.
Les examens demandent souvent d'énoncer la loi de Fourier et de justifier les variations du flux de chaleur selon le contexte géodynamique (dorsale, craton, zone volcanique). Piège classique : confondre gradient géothermique (température par unité de profondeur) et flux de chaleur (énergie par unité de surface et de temps), deux grandeurs liées mais distinctes.