Principes et généralités Géophysique Licence SVTU Séance 1 Principes et généralités Séance 2 Sismologie Séance 3 Sismique Séance 4 Géothermie et Tomographie

Géothermie et Tomographie Géophysique Licence SVTU Séance 4 Géothermie et Tomographie

Géophysique Licence SVTU Séance 4 Géothermie

Géophysique Licence SVTU Géothermie Changement de phase minéralogique de l'olivine (zone de transition, couche D'') 410 km (12 GPa) : a => b 520 km (15 GPa): b => g 670 km (24 GPa): g => perovskite 2700 km (120 GPa): perovskite => post-perovskite

Changement de phase minéralogique de l'olivine Géophysique Licence SVTU Changement de phase minéralogique de l'olivine = thermomètre de la Terre Sismologie -> profondeur (= pression) Physique des minéraux + pression -> température 410 km (12 GPa) : a => b 520 km (15 GPa): b => g 670 km (24 GPa): g => perovskite 2700 km (120 GPa): perovskite => post-perovskite

Géophysique Licence SVTU Introduction Une première observation : à la surface, la température augmente avec la profondeur (3 °C par 100 m en moyenne) (ex. : mines, sources d'eau chaude, geysers) La géothermie est capitale pour l'étude de la Terre : la génération et le transport de la chaleur contrôlent la tectonique des plaques et le champ magnétique

Géophysique Licence SVTU Introduction Température T [K] : degré d'agitation des particules (0 K = -273.15 °C) Energie thermique [J] : énergie cinétique des particules Chaleur Q [W] (= [J s-1]) : transfert d'énergie thermique entre particules On a la relation: Q dt = m c dT avec c la capacité calorifique [J kg-1 K-1] ~ résistance du corps à se “réchauffer”

Géophysique Licence SVTU La théorie des machines thermiques s’attache à la description et à l’étude physique de certains systèmes thermodynamiques qui permettent de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique, et vice versa. Dans le cas de la Terre, les flux mesurés permettent d’arriver à une moyenne de Qmoy = 80 mW/m2, soit une perte globale de 42 TW. Il s’agit pour nous de savoir quelle est l’origine de ces 42 TW, où ces pertes sont le plus importantes et comment toute cette énergie est véhiculée de l’intérieur de la Terre à l’extérieur. L’énergie apportée de l’extérieur par le Soleil est exclue du présent exposé.

Source et lieu de la dissipation de la chaleur terrestre Géophysique Licence SVTU Source et lieu de la dissipation de la chaleur terrestre Flux de chaleur à la surface de la Terre * Quelques manifestations de la dissipation de chaleur terrestre : volcans, séismes Répartition des zones à gradient géothermique élevé à la surface de la terre

Géophysique Licence SVTU * Etude de la carte du flux de chaleur terrestre : les continents sont froids, les océans plus chauds, surtout au niveau des dorsales.

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Les sources de la chaleur interne Géophysique Licence SVTU * Les continents dissipent 21% de la chaleur terrestre, les plates formes continentales 7% et enfin les océans 72%. La présence d’une convection thermique au niveau des dorsales améliorent la dissipation. Les sources de la chaleur interne * Chaleur originelle Due à l'accumulation d'énergie thermique lors de la formation de la Terre (par accrétion, désintégration radioactive, différentiation). Contribution actuelle estimée à ~10 TW (sans doute plus fort dans le passé). Des sources sont encore actives aujourd'hui.

Géophysique Licence SVTU * La radioactivité (estimée à 30 TW) : 43% de la dissipation de la chaleur terrestre, la chaleur sensible (refroidissement du manteau et du noyau) 42%, la chaleur latente de cristallisation de la graine 7% et l’énergie gravitationelle 8%. La chaleur produite par radioactivité est essentiellement produite au niveau du manteau inférieur (62,7% par les couples U-Th-Pb, Rb-Sr, K-Ar, Sm-Nd Samarium-Néodyme) et de la croûte continentale 30,2% par ces mêmes couples (moins le Sm-Nd). La contribution du manteau supérieur (7,4% et de la croûte océanique 0,3%) est plus faible. Il y a une forte incertitude sur le noyau car on ne peut pas exclure la présence de K dans les éléments légers.

- Cristallisation du noyau (liquide solide) Géophysique Licence SVTU * Changement d'état Un changement d'état libère (ou consomme) de la chaleur (chaleur latente de changement d'état) Dans la Terre : - Cristallisation du noyau (liquide solide) - Changements de phase minéralogique (olivine) dans le manteau discontinuités sismiques de la zone de transition (à 410 km de profondeur) * Différentiation Une diminution d'énergie potentielle de gravitation libère de la chaleur Exemple : “chute” des éléments lourds du manteau vers le noyau Estimation : DE = Dr g h soit DE = 1,2 1011 J m-3 (330 m3/s ↔ 40 TW)

* Contraction thermique Contraction/dilatation thermique : Géophysique Licence SVTU * Contraction thermique Contraction/dilatation thermique : r = ro[1-a (T-To)] avec a le coefficient de dilatation thermique [K-1]. La Terre se refroidit : elle se contracte → son énergie potentielle de gravitation diminue → de la chaleur est libérée. * Marées Les marées sont dues à la différence d'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil. Ce phénomène ralentit la rotation de la Terre : diminution de l'énergie cinétique de rotation sous forme de chaleur. Contribution actuelle sans doute très faible (sans doute plus fort dans le passé).

Géophysique Licence SVTU Bilan

Les modes d’évacuation de la chaleur terrestre Géophysique Licence SVTU Les modes d’évacuation de la chaleur terrestre Transport de la chaleur

La conduction : un moyen peu efficace d’évacuer la chaleur Géophysique Licence SVTU La conduction : un moyen peu efficace d’évacuer la chaleur La convection : un moyen efficace d’évacuer la chaleur

La conduction : un moyen peu efficace d’évacuer la chaleur Géophysique Licence SVTU La conduction : un moyen peu efficace d’évacuer la chaleur Définition : l'énergie thermique est transportée par “diffusion” de l'agitation thermique des particules de proche en proche (échelle microscopique) Comment est le flux de chaleur ?

Exemple de valeur de k [W K-1 m-1] Géophysique Licence SVTU Exemple de valeur de k [W K-1 m-1] La conduction est le principal mécanisme de transport de la chaleur dans la lithosphère

La convection : un moyen plus efficace d’évacuer la chaleur Géophysique Licence SVTU La convection : un moyen plus efficace d’évacuer la chaleur Définition : l'énergie thermique se transporte par mouvement de matière (~ fluides) (échelle macro.) Le “moteur” : la force d'Archimède qui agit contre un déséquilibre de densité (r0 > r1) dû par exemple à une perturbation de température (T1 > T0)

La thermique est ici couplée à la dynamique des fluides. Géophysique Licence SVTU La thermique est ici couplée à la dynamique des fluides. La vigueur de la convection se caractérise par le nombre de Rayleigh Ra [sans dim.]

Le système convecte si : Géophysique Licence SVTU Le système convecte si : Où a-t-on convection dans la Terre ? Dans le manteau. Attention : les roches du manteau sont bien solides mais le manteau se comporte comme un fluide pour Ra >> 1

La convection mantellique est-elle à une ou deux couches Géophysique Licence SVTU La convection mantellique est-elle à une ou deux couches (séparées par la zone de transition) ?

L’établissement du géotherme Géophysique Licence SVTU L’établissement du géotherme Profil moyen T(rayon) (estimation + points d'ancrage)

Géophysique Licence SVTU CLT : couche limite thermique

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Géophysique Licence SVTU Séance 4 Tomographie

Géophysique Licence SVTU Tomographie Observation de petites anomalies de temps de trajet dt par rapport aux modèles 1D => hétérogénéités de vitesse dv latérales liées à la structure et à la dynamique

Idée : inversons les dt pour cartographier en 3D dv Géophysique Licence SVTU Idée : inversons les dt pour cartographier en 3D dv (= scanner médical) => infos uniques sur la Terre

Tomographie régionale en ondes P télésismiques Géophysique Licence SVTU Tomographie régionale en ondes P télésismiques

Tomographie régionale en ondes P télésismiques Géophysique Licence SVTU Tomographie régionale en ondes P télésismiques

Tomographie régionale en ondes P télésismiques Géophysique Licence SVTU Tomographie régionale en ondes P télésismiques

Exemple d’une tomographie globale en onde de surface Géophysique Licence SVTU Exemple d’une tomographie globale en onde de surface

Géophysique Licence SVTU Tomographie du Pacifique en onde de surface => l'épaississement de la lithophère avec l'âge est bien visible

Géophysique Licence SVTU Tomographie du Pacifique en onde de surface => l'épaississement de la lithophère avec l'âge est bien visible

Exemple : tomographie régionale en onde P Géophysique Licence SVTU Exemple : tomographie régionale en onde P Interprétation des anomalies de vitesse en terme de variations de composition (croûte) ou de température (manteau -> images de la convection)

Le manteau est en convection Géophysique Licence SVTU Le manteau est en convection A la surface, on observe.

Comment se prolonge en profondeur la tectonique ? Géophysique Licence SVTU Comment se prolonge en profondeur la tectonique ? La convection du manteau est-elle à une ou deux couches séparées par la zone de transition ?

Zones de subduction : courants descendants froids ? Géophysique Licence SVTU Zones de subduction : courants descendants froids ?

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Zones de subduction : courants descendants froids ? Géophysique Licence SVTU Zones de subduction : courants descendants froids ? Oui à grande profondeur. Un manteau plutôt à une couche Cela impose un nouveau modèle géochimique. 410 660 1700 CMB

Deux super-panaches sous l'Afrique et le Pacifique ? Géophysique Licence SVTU Où sont les courants ascendant chauds sous forme de panaches mantelliques ? Deux super-panaches sous l'Afrique et le Pacifique ?

Dorsales océaniques = courants ascendant chauds ? Géophysique Licence SVTU Dorsales océaniques = courants ascendant chauds ?

Dorsales océaniques = courants ascendant chauds ? Géophysique Licence SVTU Dorsales océaniques = courants ascendant chauds ? Non ! à faible profondeur Les dorsales seraient des structures passives et secondaires de la convection

Points chauds = courants ascendant chauds ? Peut-être … Géophysique Licence SVTU Points chauds = courants ascendant chauds ? Peut-être …

Points chauds = courants ascendant chauds ? Peut-être … Géophysique Licence SVTU Points chauds = courants ascendant chauds ? Peut-être …

Attention à la résolution des images ! Géophysique Licence SVTU Attention à la résolution des images ! La résolution dépend de la longueur d'onde R = √lD > 100 – 200 km ≈ taille du panache

Les ondes sont sensibles à un volume fini (↑ avec l) ≠ rais sismiques Géophysique Licence SVTU Les ondes sont sensibles à un volume fini (↑ avec l) ≠ rais sismiques Zone de Fresnel : √lD (~ 800 km) Il faut des ondes à courtes périodes (petites l) pour imager de petites structures (difficile en tomo classique)

La résolution dépend aussi de la densité des trajets. Géophysique Licence SVTU La résolution dépend aussi de la densité des trajets. La tomomographie en ondes P et S tend à étaler artificiellement les anomalies en profondeur (≠ ondes de surface)