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Chaleur : température de la terre

Dossier - Qu'est-ce que la géothermie ?

Le terme « géothermie » signifie « chaleur de la terre ». L'exploitation de celle-ci est aussi vieille que l'humanité. Aujourd'hui, elle ouvre de vastes perspectives en matière d'énergies renouvelables.

  
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Ce n'est pas sans raison que les traditions ont placé l'enfer et son feu purificateur au centre de notre planète. Sous nos pieds, la terre est chaude, et même de plus en plus chaude à mesure que l'on s'enfonce dans ses entrailles.

Sous nos pieds, la terre est chaude. © Skeeze, DP

Le gradient géothermal

Expérimenté concrètement par des générations de mineurs de fond et aujourd'hui bien mesuré, 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.

© ADEME-BRGM

Le flux de chaleur

Une partie de la chaleur de la Terre est une relique de sa formation, il y a 4,55 milliards d'années. Pour donner naissance à la Terre, des poussières, des gaz, des roches flottant dans la banlieue du tout jeune soleil se sont assemblées par accrétion. 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 vraie fournaise : la température du noyau frise les 4.200 °C. Le manteau de roche en fusion qui l'entoure est lui aussi très chaud, sa température variant entre 1.000 et 3.000 degrés.

Mais toute cette chaleur remonte difficilement à la surface car les roches intermédiaires de l'écorce terrestre sont de très mauvais conducteurs.

L'essentiel de l'énergie arrive donc jusqu'à nous par conduction, c'est ce « flux de chaleur » qui explique le gradient géothermal.

La structure interne du globe

Les observations directes ne dépassant pas les dix premiers kilomètres de la croûte terrestre, nos connaissances reposent essentiellement sur l'étude de phénomènes de propagation des ondes sismiques naturelles ou provoquées lors d'explorations géophysiques.

On a ainsi pu distinguer trois enveloppes principales 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.

Enfin vient l'écorce ou « croûte », enveloppe moins dense dont l'épaisseur varie grandement, puisqu'elle atteint entre 30 et 70 km dans les zones continentales pour seulement 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.

L'origine de la chaleur

Pourtant, la chaleur dégagée par notre globe n'a pas pour principal responsable le refroidissement de son noyau, mais la désintégration des éléments radioactifs présents dans ses roches : uranium, thorium, potassium, etc. 90 % de l'énergie dissipée provient en effet de ce mécanisme. La chaleur émise par la fission varie avec la composition chimique des roches - elle est environ trois fois plus élevée, par exemple, pour les granites que pour les basaltes. Elle varie aussi selon l'âge des roches, raison pour laquelle les gradients géothermiques sont plus élevés dans les plates-formes jeunes, comme en France et en Europe du Sud, que dans les socles anciens, comme en Scandinavie. Pourtant, même dans ces conditions, la géothermie y a connu ces dernières années un grand essor, notamment pour le chauffage.

De la chaleur aux frontières

Il y a en outre des lieux où le flux de chaleur est plus élevé du fait que le magma est parvenu à remonter vers la surface, en réchauffant au passage les roches qui l'entourent. Ce phénomène s'explique par le fait que la lithosphère (l'écorce et la couche supérieure du manteau) est fragile (cassante). Loin d'être une surface homogène, elle est constituée de douze plaques principales (et plusieurs autres petites) qui flottent sur une couche plus fluide, l'asthénosphère, dotée de mouvements de convection lents et réguliers.

C'est essentiellement à la frontière de ces plaques - et plus généralement dans les zones fragiles de l'écorce - que le magma peut se glisser et remonter, donnant naissance aux intrusions plutoniques et aux volcans.