Gradient géothermique

La chaleur provenant de l'intérieur de la Terre peut être utilisée comme source d'énergie : c'est l'énergie géothermique . Le gradient géothermique est exploité pour le chauffage et les bains depuis l'Antiquité romaine, et plus récemment pour la production d'électricité. La croissance démographique mondiale entraîne une augmentation de la consommation d'énergie et des impacts environnementaux qui en découlent, en adéquation avec les sources d'énergie primaires mondiales. Ceci a suscité un intérêt croissant pour la recherche de sources d' énergie renouvelables et à faibles émissions de gaz à effet de serre. Dans les zones à forte densité d'énergie géothermique, les technologies actuelles permettent de produire de l'électricité grâce aux températures élevées. La production d'électricité à partir de ressources géothermiques ne nécessite aucun combustible et fournit une énergie de base fiable, avec un taux de disponibilité supérieur à 90 %. Pour extraire l'énergie géothermique, il est nécessaire de transférer efficacement la chaleur d'un réservoir géothermique vers une centrale électrique, où l'énergie électrique est convertie par la transformation de la chaleur en électricité grâce à la vapeur d'eau qui traverse une turbine reliée à un générateur. L'efficacité de la conversion de la chaleur géothermique en électricité dépend de l'écart de température entre le fluide chauffé (eau ou vapeur) et la température ambiante. Il est donc avantageux d'utiliser des sources de chaleur profondes et à haute température. À l'échelle mondiale, la chaleur stockée à l'intérieur de la Terre constitue une source d'énergie encore considérée comme exotique. Environ 10 GW de capacité géothermique électrique étaient installés dans le monde en 2007, couvrant 0,3 % de la demande mondiale d'électricité. Par ailleurs, 28 GW de capacité de chauffage géothermique direct étaient installés pour le chauffage urbain, le chauffage des bâtiments, les spas, les procédés industriels, le dessalement et l'agriculture.

Le gradient géothermique varie selon l'emplacement et est généralement mesuré en déterminant la température de fond de puits après le forage. Cependant, les diagraphies de température obtenues immédiatement après le forage sont faussées par la circulation du fluide de forage. Pour obtenir des estimations précises de la température de fond de puits, il est nécessaire que le puits atteigne une température stable. Ceci n'est pas toujours possible pour des raisons pratiques.

Dans les zones tectoniques stables des régions tropicales , la courbe température-profondeur converge vers la température moyenne annuelle de surface. Cependant, dans les zones où un pergélisol profond s'est formé durant le Pléistocène , une anomalie de basse température est observée et persiste jusqu'à plusieurs centaines de mètres de profondeur . L' anomalie froide de Suwałki, en Pologne, a permis de constater que des perturbations thermiques similaires, liées aux changements climatiques du Pléistocène- Holocène, sont enregistrées dans des forages à travers la Pologne, ainsi qu'en Alaska , dans le nord du Canada et en Sibérie .

Dans les zones de soulèvement et d'érosion holocènes (Fig. 1), le gradient superficiel est élevé jusqu'à un point (appelé « Point d'inflexion » sur la figure) où il atteint le régime de flux de chaleur stabilisé. Si l'on prolonge le gradient de ce régime stabilisé au-delà de ce point jusqu'à son intersection avec la température moyenne annuelle actuelle, la hauteur de cette intersection par rapport au niveau de la surface actuel permet de quantifier l'ampleur du soulèvement et de l'érosion holocènes. Dans les zones d' affaissement et de sédimentation holocènes (Fig. 2), le gradient initial est inférieur à la moyenne jusqu'à ce qu'il rejoigne le régime de flux de chaleur stabilisé.

Les variations de température en surface, qu'elles soient journalières, saisonnières ou induites par les changements climatiques et le cycle de Milankovitch , pénètrent sous la surface terrestre et produisent une oscillation du gradient géothermique dont les périodes varient d'un jour à plusieurs dizaines de milliers d'années, et dont l'amplitude diminue avec la profondeur. Les variations de plus longue période ont une profondeur d'échelle de plusieurs kilomètres. L'eau de fonte des calottes glaciaires polaires , s'écoulant le long des fonds océaniques, tend à maintenir un gradient géothermique constant à la surface de la Terre. manteau terrestre est solide grâce à la transmission des ondes S. Le gradient de température diminue considérablement avec la profondeur pour deux raisons. Premièrement, le mécanisme de transport thermique passe de la conduction , comme au sein des plaques tectoniques rigides, à la convection , dans la partie du manteau terrestre qui est sujette à la convection. Malgré sa solidité , la majeure partie du manteau terrestre se comporte, sur de longues périodes, comme un fluide , et la chaleur y est transportée par advection , c'est-à-dire par transport de matière. Deuxièmement, la production de chaleur radioactive est concentrée dans la croûte terrestre, et plus particulièrement dans sa partie supérieure, car les concentrations d' uranium , de thorium et de potassium y sont les plus élevées : ces trois éléments sont les principaux producteurs de chaleur radioactive au sein de la Terre. Ainsi, le gradient géothermique au sein de la majeure partie du manteau terrestre est de l'ordre de 0,5 kelvin par kilomètre et est déterminé par le gradient adiabatique associé au matériau du manteau ( péridotite dans le manteau supérieur).

Des gradients géothermiques négatifs apparaissent lorsque la température diminue avec la profondeur. Ce phénomène se produit dans les premiers centaines de mètres, près de la surface. En raison de la faible diffusivité thermique des roches, les températures souterraines profondes sont peu affectées par les variations diurnes, voire annuelles, de la température de surface. À quelques mètres de profondeur, les températures souterraines sont donc similaires à la température moyenne annuelle de surface. À de plus grandes profondeurs, les températures souterraines reflètent une moyenne à long terme du climat passé, de sorte que les températures mesurées entre quelques dizaines et quelques centaines de mètres de profondeur contiennent des informations sur le climat des derniers centaines, voire des derniers milliers d'années. Selon l'emplacement, ces températures peuvent être inférieures aux températures actuelles en raison du froid qui a suivi la dernière période glaciaire , ou en raison de changements climatiques plus récents.

Des gradients géothermiques négatifs peuvent également se produire en raison d' aquifères profonds , où le transfert de chaleur de l'eau profonde par convection et advection entraîne un chauffage des roches adjacentes par l'eau à des niveaux moins profonds à une température plus élevée que celle des roches à un niveau légèrement plus profond.

Des gradients géothermiques négatifs sont également observés à grande échelle dans les zones de subduction. Une zone de subduction est une limite de plaque tectonique où la croûte océanique s'enfonce dans le manteau en raison de la densité élevée de la plaque océanique par rapport au manteau sous-jacent. La plaque s'enfonçant dans le manteau à une vitesse de quelques centimètres par an, la conduction thermique ne permet pas de la réchauffer aussi rapidement qu'elle s'enfonce. Par conséquent, la plaque en subduction présente une température inférieure à celle du manteau environnant, ce qui engendre un gradient géothermique négatif.