Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
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Ens. spécifique
24
France métropolitaine • Septembre 2015
pratique du raisonnement scientifique
Exercice 2 • 5 points
Subduction et géothermie
Depuis l'accident nucléaire de Fukushima, le Japon accélère sa politique de transition énergétique et cherche de nouvelles sources d'énergie.
▶ En utilisant les informations des documents et vos connaissances :
définissez le contexte géodynamique du Japon
montrez que ce contexte est favorable à l'exploitation de la géothermie.
DOCUMENT 1 Carte bathymétrique du Japon indiquant la profondeur des foyers sismiques
D'après la banque de schémas de SVT, académie de Dijon.
DOCUMENT 2 Schéma interprétatif de lame mince de roche volcanique prélevée au Japon
D'après planet-terre.ens-lyon.fr.
DOCUMENT 3 Comparaison minéralogique des différentes roches magmatiques
|
| Structure | Composition | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Pyroxène | Quartz | Amphibole | Feldspath plagioclase | ||
| Gabbro | grenue | + | + | ||
| Basalte | microlithique | + | + | ||
| Andésite | microlithique | + | + | + | |
| Granodiorite | grenue | + | + | + | + |
DOCUMENT 4 Tomographie sismique et position des foyers sismiques selon la coupe A-B du document 1
La tomographie sismique est une technique permettant de visualiser en profondeur les variations de la vitesse de propagation des ondes sismiques.
Plus le matériau traversé est froid, plus l'anomalie de vitesse des ondes sismiques est positive. Plus le matériau traversé est chaud, plus l'anomalie de vitesse des ondes sismiques est négative.
D'après Zhao et al., Journal of Geophysical Research, 1994.
DOCUMENT 5 Flux géothermique relevé à la surface du Japon
Les clés du sujet
Comprendre le sujet
Le plan à suivre est fourni par le libellé du sujet. Il faut d'abord exploiter les documents 1 à 4 pour conclure que le contexte géodynamique du Japon est celui d'une zone de subduction. Ensuite, vous devez exploiter les documents 4 et 5 pour montrer que ce contexte amène à un gradient géothermique et à un flux géothermique élevés, ce qui est propice à l'exploitation géothermique.
Mobiliser ses connaissances
Ce sujet fait appel à des connaissances de Première sur les marqueurs de la subduction. Les indices des zones de subduction doivent pouvoir être reconnus sur divers types de documents.
Dans les zones de subduction, des volcans émettent des laves de type andésitique souvent visqueuses associées à des gaz, et dont les éruptions sont fréquemment explosives.
Corrigé
I. Le contexte géodynamique du Japon
1. Les marqueurs d'une zone de subduction
Le document 1 permet de localiser deux plaques : la plaque eurasienne et la plaque Pacifique. La frontière entre ces deux plaques est marquée, dans l'océan Pacifique, par des profondeurs importantes de l'ordre de 7 000 m témoins de l'existence le long de cette frontière d'une fosse, l'un des marqueurs de la subduction.
Les lignes de profondeurs des foyers sismiques indiquent qu'ils sont de plus en plus profonds lorsqu'on s'éloigne vers l'ouest de la frontière des plaques.
Le document 1 montre également l'existence d'un volcanisme important sur la plaque eurasienne. Les documents 2 et 3 permettent de définir la nature de ce volcanisme. Le document 2 schématise une lame mince de roche de structure microlithique (présence d'un verre et de microlithes), donc d'une roche volcanique possédant des feldspaths plagioclases, de l'amphibole (hornblende) et des pyroxènes. Le document 3 indique que seule l'andésite, roche microlithique, présente cette association de minéraux. Un tel volcanisme andésitique est caractéristique d'une zone de subduction.
En conclusion, les différents marqueurs existant dans cette région permettent d'affirmer qu'il s'agit d'une zone de subduction : la plaque Pacifique plongeant, tel que l'indiquent les lignes de séismes, sous la plaque eurasienne, plaque chevauchante qui présente un volcanisme andésitique caractéristique.
2. Visualisation de la subduction
Notez bien
Les températures sont relatives : la zone marron-marron est, pour une profondeur donnée, plus froide que son environnement.
Le document 4 montre l'existence d'une région sismique de l'ordre de 100 km d'épaisseur, de plus en plus profonde d'est en ouest. C'est une zone où la vitesse de propagation des ondes sismiques est supérieure à la normale, ce qui indique que sa température est inférieure à celle attendue aux différentes profondeurs.
C'est une zone plus froide que son environnement et où sont localisés de nombreux foyers sismiques, indiquant qu'il s'agit d'une région lithosphérique. C'est donc une plaque lithosphérique plongeant d'est en ouest.
Cela confirme la subduction de la plaque Pacifique sous la plaque Eurasie.
II. Une structure géodynamique favorable à l'exploitation de la géothermie
Le document 4 montre également que, sous les volcans, il existe des régions (entre 0 et 100 km) dans lesquelles la vitesse de propagation des ondes sismiques présente une anomalie négative traduisant la présence d'un matériel plus chaud qu'attendu.
Info
Le flux géothermique est celui libéré à la surface de la Terre à la suite de sa conduction dans la lithosphère. Il est égal au produit du gradient géothermique par un coefficient de conductibilité thermique, qui dépend de l'aptitude des roches à transmettre la chaleur par conduction. Il s'exprime en watts ou en milliwatts par m2. Sa valeur moyenne est de 0,06 W/m2, ou 60 mW/m2.
Le gradient géothermique élevé dans cette région est en rapport avec l'activité magmatique dans la zone de subduction.
Le document 5 montre que, dans l'île de Honshu, des régions associées à l'activité volcanique (document 1) présentent un flux géothermique élevé (entre 112 et 150 mW/m2). Cela confirme que des températures élevées existent près de la surface et laisse à penser qu'il existe des nappes d'eau chaude, à faible profondeur, pouvant être exploitées par la géothermie de moyenne et surtout de haute énergie.
Ainsi, le Japon comme d'autres zones de subduction (les Antilles, par exemple) s'avère être une région du globe favorable à l'exploitation de la géothermie comme source d'énergie.