Flux thermique et dynamique du globe

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
Type : Restitution des connaissances | Année : 2013 | Académie : Amérique du Nord
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Flux thermique et dynamique du globe

Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

Corrigé

28

Ens. spécifique

svtT_1305_02_00C

Amérique du Nord • Mai 2013

restitution des connaissances • 8 points

Cet exercice de type I comporte 2 parties indépendantes l’une de l’autre : un questionnaire à choix multiple (QCM) et une question de synthèse. L’ordre de traitement des 2 parties est laissé au choix du candidat.

QCM (3 points)

> À partir de vos connaissances, répondez au QCM en cochant la bonne réponse.

1. Les ophiolites sont :

a) des fossiles marins

b) la trace d’un domaine océanique disparu

c) un domaine continental déformé à la suite d’une collision

d) des minéraux caractéristiques du granite

2. En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique :

a) s’épaissit à cause de son refroidissement, ce qui augmente sa densité

b) se refroidit à cause de son épaississement, ce qui augmente sa densité

c) subit un plissement intense

d) s’épaissit et se refroidit, sans modification de sa densité

3. Une chaîne de montagnes récente :

a) présente en général un relief moins élevé qu’une chaîne de montagnes ancienne

b) ne présente aucune érosion

c) présente un relief en surface appelé racine crustale

d) peut présenter des marqueurs de subduction océanique et de collision

Question de synthèse (5 points)

La Terre est une machine thermique : elle libère une énergie qualifiée de géothermique, potentiellement utilisable par l’Homme, et variable d’un endroit à un autre.

> Après avoir indiqué l’origine du flux géothermique, décrivez les mécanismes de transferts thermiques vers la surface et comparez les variations de ce flux selon le contexte géodynamique (dorsale et zone de subduction).

Aucune valeur de flux géothermique n’est attendue. La réponse doit être structurée avec une introduction et une conclusion.

Comprendre le sujet

  • C’est une question de type 1, associant un QCM et une question de synthèse, le tout recouvrant les deux domaines de géologie du programme. Le QCM est sans difficulté, ne faisant appel qu’à des connaissances élémentaires et la fausseté de plusieurs des affirmations est évidente. Le plus difficile est peut-être de ne pas être troublé par ces évidences.
  • Le libellé du sujet de synthèse est précis, comprend plusieurs sous-questions qui fournissent en somme le plan à suivre. Il faut bien veiller à situer les mécanismes des transferts thermiques (convection et conduction) dans le cadre de la structure du globe (asthénosphère et lithosphère) et de sa dynamique (tectonique des plaques). Cela permet d’expliquer les différences dans l’intensité du flux thermique suivant les régions.
  • En conclusion, ne pas oublier de montrer en quoi ces transferts thermiques font que la Terre est une machine thermique, ni d’évoquer la géothermie, en particulier de forte énergie associée aux zones où le flux thermique est élevé.

Mobiliser ses connaissances

  • Les chaînes de montagnes présentent souvent les traces d’un domaine océanique disparu (ophiolites).
  • En s’éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique se refroidit et s’épaissit. L’augmentation de sa densité au-delà d’un certain seuil explique son plongement dans l’asthénosphère.
  • Les chaînes de montagnes anciennes ont des reliefs moins élevés que les montagnes récentes. Altération et érosion contribuent à l’effacement des reliefs. Cela débute dès la naissance du relief.
  • Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches. À l’échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les zones de subduction présentent un flux faible associé au plongement de la lithosphère âgée devenue dense.
Corrigé

QCM

1.b)Exact : les ophiolites sont des marqueurs géologiques présents dans les chaînes de montagnes qui ont tous les caractères d’une lithosphère océanique (basaltes en coussin, gabbros, péridotites).

2.a)Exact.

b)Faux : le refroidissement est la cause de l’épaississement et non l’inverse.

c)Faux : l’épaississement de la lithosphère océanique entraîne une augmentation de sa densité ce qui, à terme, peut provoquer la subduction de la lithosphère.

3.d) Exact : les ophiolites métamorphiques sont des marqueurs de subduction et les déformations (plis, chevauchements, nappes de charriage) sont des marqueurs de collision.

a)Faux : c’est une évidence.

b)Faux : l’érosion commence dès la formation d’un relief.

c)Faux : la racine crustale constitue la partie inférieure de la croûte continentale d’une chaîne de montagnes.

Question de synthèse

Introduction

La Terre est une machine thermique qui, en permanence, libère un flux thermique à sa surface. Le transfert thermique du manteau vers la surface s’effectue par convection et conduction.

Après avoir précisé ces mécanismes de transfert thermique en relation avec la structure du globe terrestre (lithosphère et asthénosphère), nous envisagerons les variations de l’intensité de ces transferts en relation avec certaines frontières des plaques lithosphériques, en particulier dorsales et zones de subduction.

I. Le flux thermique et son origine

  • La surface de la Terre reçoit un double flux d’énergie : le flux d’énergie solaire d’une part, le flux thermique d’origine interne d’autre part. Ce dernier est très inférieur au flux solaire et n’intervient pas dans la température de surface de la Terre. Ce flux thermique est dû au fait que l’intérieur de la Terre est plus chaud que sa surface : le transfert thermique se faisant toujours du corps le plus chaud vers le corps froid, c’est-à-dire d’une température élevée vers une température plus basse.

Info

Le gradient géothermique est la variation de température par unité de longueur (de profondeur) ; on l’exprime souvent en °C par kilomètre.

  • La figure 1 indique les variations de la température interne du globe au moins pour les 600 premiers kilomètres. On distingue deux régions : l’une entre 0 et 100 km environ, où le gradient géothermique est élevé, et une deuxième, au-delà de 100 km, où le gradient géothermique est nettement plus faible.

Figure 1 Le gradient géothermique des 700 premiers kilomètres

  • La zone où le gradient géothermique est élevé (0 à 100 km) est la lithosphère, au-delà, c’est l’asthénosphère.
  • Cela correspond à deux modalités différentes de transfert thermique. Dans la lithosphère, les transferts thermiques s’effectuent par conduction,alors que dans l’asthénosphère et le reste du manteau, ils s’effectuent surtout par convection.
  • La conduction est un transfert thermique qui s’effectue de proche en proche suivant un gradient de température, sans déplacement de matière.
  • La convection est un transfert thermique engendré par un déplacement de matière : la matière en mouvement transporte avec elle sa chaleur.
  • Origine de la chaleur interne :les températures élevées de l’intérieur du globe impliquent des sources de chaleur. Une première source réside dans la chaleur initiale qui a été engrangée par la Terre au début de son histoire, lors de sa formation et de sa différenciation.
  • Une deuxième source, active durant toute son histoire et encore actuellement, est la chaleur libérée par la désintégration des éléments radioactifs à longue période : uranium 238 et 235, thorium 232, potassium 40, contenus dans les roches du manteau et des croûtes.
  • Vu sa masse, le manteau est de très loin la zone du globe produisant le plus de chaleur, mais la croûte continentale, riche en éléments radioactifs, en produit aussi. Le manteau est donc essentiellement chauffé dans sa masse par la radioactivité et seulement un peu par « en dessous »c’est-à-dire par le noyau.

II. Les variations du flux thermique aux frontières des plaques : dorsales et zones de subduction

  • À l’échelle mondiale, le flux thermique est d’intensité variable à la surface du globe. Comme le demande le sujet, l’étude de ces variations portera sur les frontières de plaque : l’axe des dorsales et les zones de subduction.
  • L’axe des dorsales est le lieu du globe où le flux thermique est le plus important (figure 2). Cela s’explique par la montée du manteau asthénosphérique à l’axe de ces dorsales.
  • Cette montée se fait par convection, le manteau asthénosphérique transportant avec lui sa chaleur et gardant presque sa température. Cette montée de l’asthénosphère entraîne sa fusion partielle et la production de lithosphère océanique nouvelle, peu épaisse à l’axe de la dorsale. Cette faible épaisseur de la lithosphère, et donc le fait que l’asthénosphère soit proche de la surface, font que le flux géothermique est très élevé dans cette zone.
  • Dans les zones de subduction, le flux thermique est faible à la verticale de la zone de plongement de la plaque lithosphérique (fosse) mais est élevé dans l’arc volcanique associé (figure 2).

C’est la proximité d’un magma chaud à faible distance de la surface qui explique la valeur élevée du flux thermique au niveau des arcs volcaniques.


Figure 2 Flux thermique et dynamique du globe

Conclusion

  • Le transfert thermique par convection à l’axe d’une dorsale entraîne la production d’une lithosphère océanique nouvelle. En s’éloignant de l’axe, la lithosphère océanique perd de la chaleur par conduction, ce qui entraîne son épaississement et l’augmentation de sa densité. Au niveau d’une zone de subduction, la densité de la lithosphère océanique est supérieure à celle de l’asthénosphère, ce qui entretient sa subduction. Le mouvement des plaques est donc entretenu par les transferts thermiques, ce qui justifie l’expression « la Terre est une machine thermique ».
  • Les zones à flux géothermique élevé sont les plus propices à l’exploitation du flux thermique venant de l’intérieur de la Terre, notamment pour la production d’électricité (géothermie de haute énergie). La majorité des installations industrielles sont localisées dans les zones volcaniques associées à la subduction (exemple : centrale géothermique de Bouillante, à la Guadeloupe) et quelques-unes à l’axe de dorsales émergées (Islande).