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La centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe)

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Vous êtes ici : Accueil Cours I. La géothermie : manifestations, quantification, origine et utilisations de la chaleur interne du globe 1. Le gradient géothermique 1.2. Comment mesure t’on le gradient géothermique et le « flux de chaleur »

1.2. Comment mesure t’on le gradient géothermique et le « flux de chaleur »

La façon la plus simple de mesurer le gradient géothermique est d’enregistrer la variation de la température avec la profondeur dans un forage. C’est ce qui a été fait – avec une précision de 0,005 °C – dans de nombreux forages au cœur des grands bassins du Nevada (aux Etats-Unis) dont un enregistrement est présenté dans la figure 2. Cette figure montre que la température augmente quasi-linéairement lorsqu’on s’enfonce à une profondeur de 1600 m. En moyenne la température augmente de 80 °C/km dans ce forage. C’est ce qui est représenté de graphique de droite qui représente le gradient géothermique, c'est-à-dire la dérivée de la courbe de gauche.

Enregistrement de la température en fonction de la profondeur dans le forage LAH (Nevada, Etats-Unis) et gradient géothermique associé.
Enregistrement de la température en fonction de la profondeur dans le forage LAH (Nevada, Etats-Unis) et gradient géothermique associé.

Une fois le gradient connu, les géophysiciens en déduisent le flux de chaleur, c'est-à-dire la quantité d’énergie (thermique) qui traverse une unité de surface par unité de temps (unité = J/s/m² ou W/m²). La loi de Fourier explique que le flux de chaleur est l’opposé du produit de la conductivité thermique des roches par le gradient de température.
Son expression est donc :

 

Pour connaître le flux de chaleur en un point de la surface de la Terre il faut donc déterminer à la fois le gradient de température et la conductivité thermique des roches sous-jacentes. Comme nous l’avons vu précédemment, le gradient de température est obtenu par la mesure directe de la température à différentes profondeurs dans des forages ou dans des puits de mines. Pour connaître la conductivité thermique des roches, on les échantillonne dans les puits et on effectue des mesures en laboratoire. Dans une roche homogène (de conductivité thermique constante), le gradient de température, est vertical à la surface terrestre. En l'absence de circulation d'eau, le flux de chaleur est donc également vertical.

En milieu continental, la conductivité thermique des roches k vaut environ 2,5W.m-1.K-1. Elle varie en fait entre 2,2W.m-1.K-1pour les basaltes et 3,1W.m-1.K-1 pour les péridotites. A titre de comparaison, la conductivité thermique des métaux est environ 420W.m-1.K-1 (cas de l’argent), et celle de l’eau est environ 6W.m-1.K-1. Les roches sont donc plutôt de « mauvais » conducteurs thermiques, même si leur conductivité thermique est supérieure à celle du bois (~ 0,1W.m-1.K-1).

Dans le cas présenté en figure 2, la température augmente de 80°C/km. Si on considère que la conductivité est 2,5W.m-1.K-1 on obtient un flux de chaleur en surface de :

Remarque

l’intégration de la loi de Fourier permet d’exprimer directement la température en fonction de la profondeur, connaissant la conductivité thermique des roches, le flux de chaleur, et la température en surface et en faisant l’hypothèse que le milieu ne comprend pas de source ou de puits de chaleur.

Cette expression est : T(z) = -(q0/k)z + T0

Avec :

  • q0 : flux de chaleur en surface
  • k : conductivité thermique des roches
  • T0 : température en surface