La Terre, réservoir énergétique inépuisable

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

La structure interne du globe © ADEME-BRGM
la géothermie  © ADEME
Le mouvement des plaques lithosphériques : zone d'expansion le long d'une dorsale océanique (au centre), zones de subduction avec création d'une cordillère (à droite) ou d'un arc insulaire (à gauche). Les zones de rift continental et de point chaud océanique sont également figurées.
Dans ces zones le flux de chaleur y est plus élevé ; le magma remonte à la surface et réchauffe les roches qui l'entourent. En rouge sont représentées les chaînes de volcans.
L’eau de pluie s’infiltre et se trouve réchauffée au contact de la roche portée à haute température par la proximité du réservoir magmatique. La production géothermale est facilité par la fracturation naturelle des roches.

La Terre est chaude

Au centre de la Terre, dans le noyau, une énergie considérable s'est accumulée dans la masse lors de sa formation, il y a 4,55 milliards d'années.

  • Des poussières, des gaz, des roches flottant dans la banlieue du tout jeune soleil se sont assemblées par accrétion pour donner naissance à la Terre. C’est la condensation de ces éléments qui a donné cette énergie potentielle.
  • Dans le noyau, c’est une véritable fournaise : la température frise les 4 200°C. Le manteau de roche en fusion qui l'entoure est lui aussi très chaud, sa température varie entre 1 000 et 3 000 degrés.
  • 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.

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.

Aux frontières des plaques

Certaines zones sont particulièrement propices à la production d’électricité par géothermie : les lieux où le magma est parvenu à remonter vers la surface en réchauffant au passage les roches qui l'entourent.

Pourquoi ?

La lithosphère, c’est-à-dire l'écorce et la couche supérieure du manteau, est fragile voire 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.

A cet endroit, la chaleur se dissipe essentiellement par convection; le transfert d'énergie est beaucoup plus efficace.

Les gradients peuvent atteindre 30°C par 100 m soit 10 fois plus qu’en moyenne !

la structure interne du globe

La structure interne du globe

Trois enveloppes principales dans la structure du globe ont été distinguées grâce à l'étude des phénomènes de propagation des ondes sismiques naturelles ou provoquées lors d'explorations géophysiques:

  • Le « noyau ». Au centre, sur un rayon de 3 470 km, un alliage de fer et de nickel, solide au cœur et liquide autour, forme un « noyau", qui représente seulement 16% du volume total mais 67% de la masse terrestre.
  • Le "manteau". Cette enveloppe intermédiaire d’une épaisseur de 2 900 km est riche en silicate de fer et magnésium. Le manteau représente plus de 80% du volume du globe.
  • L'écorce ou "croûte", enveloppe externe 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.

Le saviez-vous ? le gradient géothermal

L'augmentation de la température en fonction de la profondeur est appelé "gradient géothermal".

Ce phénomène est bien connu des mineurs de fond et est aujourd'hui bien mesuré. 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.