Flux de chaleur terrestre et géothermie

La Terre perd constamment de la chaleur par sa surface, et la cartographie de ce flux de chaleur, ainsi que du gradient de température qu'il implique, révèle la structure thermique de la planète et l'énergie qui alimente son moteur interne.

Definition

Le flux de chaleur terrestre est le taux auquel la chaleur est conduite hors de la Terre par unité de surface, déterminé à partir du gradient géothermique et de la conductivité thermique ; la géothermie est l'étude plus large du champ de température et du transport de chaleur de la Terre.

Scope

Ce sujet couvre la mesure et l'interprétation du flux de chaleur de surface de la Terre : comment le flux de chaleur est déterminé à partir des gradients de température et de la conductivité thermique dans les forages et sur le fond marin, la distribution globale du flux de chaleur et sa relation avec l'âge de la croûte et le contexte tectonique, ainsi que la géotherme décrivant la température en fonction de la profondeur. Il traite du transport de chaleur conductif et convectif, du refroidissement de la lithosphère océanique tel qu'enregistré dans le flux de chaleur, et de la contribution de la chaleur radiogénique crustale. L'accent est mis sur le bilan thermique observé en surface et le régime thermique qu'il contraint.

Core questions

• Comment le flux de chaleur de surface est-il mesuré à partir des gradients de température et de la conductivité ?
• Comment le flux de chaleur varie-t-il avec l'âge de la croûte et le contexte tectonique ?
• Que révèle la géotherme sur la température en fonction de la profondeur ?
• Comment la conduction et la convection se partagent-elles le transport de la chaleur terrestre ?

Key concepts

• Gradient géothermique et conductivité thermique
• Flux de chaleur de surface et sa distribution globale
• Flux de chaleur continental versus océanique
• La géotherme et le profil température-profondeur
• Production de chaleur radiogénique crustale

Key theories

Flux de chaleur conductif et loi de Fourier

Le flux de chaleur à travers la croûte est régi par la loi de Fourier, le produit du gradient géothermique et de la conductivité thermique ; ainsi, la mesure de la température en fonction de la profondeur et de la conductivité des roches permet d'obtenir le flux de chaleur de surface local.

Flux de chaleur et refroidissement lithosphérique

Le flux de chaleur océanique diminue avec l'âge du fond marin à mesure que la lithosphère se refroidit par conduction en s'éloignant des dorsales océaniques, en accord avec les modèles de plaques refroidissantes, tandis que le flux de chaleur continental reflète la chaleur radiogénique crustale et les contributions du manteau.

Mechanisms

La chaleur est conduite le long du gradient géothermique vers la surface plus froide à un taux défini par la loi de Fourier ; dans la jeune croûte océanique, la circulation hydrothermale transporte également la chaleur par convection, tandis que dans les continents, la croûte supérieure génère de la chaleur supplémentaire par désintégration radioactive. Ainsi, le flux de chaleur de surface mesuré combine la chaleur profonde du manteau, le refroidissement lithosphérique et la production radiogénique superficielle.

Clinical relevance

Les mesures du flux de chaleur contraignent la structure thermique et le bilan énergétique de la Terre, identifient les régions favorables à l'énergie géothermique et éclairent les modèles de maturation des bassins utilisés dans l'exploration pétrolière et l'évaluation des régimes thermiques crustaux.

History

Bullard a été un pionnier des mesures du flux de chaleur continental et du fond marin au milieu du XXe siècle ; la diminution systématique du flux de chaleur océanique avec l'âge a confirmé les modèles de refroidissement lithosphérique, et les compilations mondiales ont affiné l'estimation de la perte de chaleur totale de la Terre à environ 47 térawatts.

Key figures

• Edward Bullard
• Claude Jaupart
• Jean-Claude Mareschal

Seminal works

• turcotte2014
• jaupart2011
• davies2010

Frequently asked questions

Comment le flux de chaleur de la Terre est-il mesuré ?

Les scientifiques mesurent l'augmentation de la température avec la profondeur dans un forage ou une sonde de fond marin et multiplient ce gradient géothermique par la conductivité thermique de la roche ; le produit donne la chaleur s'écoulant par unité de surface à cet endroit.

Pourquoi le flux de chaleur est-il plus élevé près des dorsales médio-océaniques ?

Au niveau des dorsales, le manteau chaud remonte et une lithosphère jeune et fraîche se forme, de sorte que la croûte y est la plus chaude ; à mesure que la lithosphère vieillit et s'éloigne, elle se refroidit, et le flux de chaleur de surface diminue en conséquence avec l'âge du fond marin.