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Nous savons aujourd’hui que le déplacement des plaques tectoniques n’est que la partie visible en surface de vastes mouvements de matière à l’état solide au sein de la Terre permettant la dissipation de la chaleur interne de la Terre. Comment en est-on arrivé à cette conclusion ?
On appelle flux géothermique la quantité de chaleur traversant 1 m² de surface terrestre par unité de temps (exprimé en W.m-2). La mesure du flux de chaleur en différents endroit du globe à permis d’estimer qu’au total, la Terre libère 42 TW de chaleur. De ces 42 TW, 20 TW viennent de la désintégration radioactive d'éléments radioactifs présents en faible quantité (235U, 238U, 232Th, 40K) dans la croûte et le manteau.
Un corps peut se refroidir de plusieurs manières : par convection, conduction et radiation. Ce dernier mode de refroidissement est négligeable pour la Terre, nous n'en parlerons donc pas ici.
Par conduction : Transfert de chaleur de proche en proche par contact sans mouvement de matière.
Dans une boule homogène qui refroidit uniquement par conduction :
la température augmente linéairement avec la profondeur (droite)
la température est homogène latéralement (la température ne dépend que de la profondeur).
Ainsi, le flux de chaleur est homogène au niveau de la surface.
Par convection : Transfert de chaleur qui associe la conduction à des mouvements de matière. Les mouvements de convection résultent de variations de densité consécutives à la dilatation ou à la contraction thermique des matériaux et de l'action conjointe de la gravité et de la poussée d'Archimède. Dans les systèmes convectifs:
la couche de matière supérieure dite couche limite thermique (CLT) froide se refroidit (par conduction). En refroidissant, elle se contracte et sa densité augmente jusqu’à déclencher son plongeon/sa chute lorsque la poussée d’Archimède ne suffit plus à compenser son poids.
De même, si la couche de matière inférieure (à la base) se réchauffe par conduction au contact d'un matériaux sous-jacent plus chaud, elle forme une CLT chaude, dont la densité diminue jusqu’à ce que la poussée d’Archimède déclenche sa remontée.
On a ainsi mise en place de cellules de convections.
Dans une boule homogène qui refroidit par convection :
la température n'augmente pas linéairement avec la profondeur (= pas une droite) mais selon une courbe à 3 segments ;
la température est hétérogène latéralement du fait qu'il existe des zones de descente de matériel froid, et d'autres de remontée de matériel chaud ;
le flux de chaleur en surface est hétérogène : plus fort à l’aplomb des zones de remontée de matière chaude ; plus faible au niveau des zones de descente de matériel froid.
III.C.1. Le géotherme moyen n'est pas une droite mais une courbe à 3 segments
Le géotherme est le profil de température de la Terre en fonction de la profondeur. Dans la lithosphère, la température augmente linéairement avec la profondeur en moyenne de 30°C par km. La lithosphère se refroidit donc par conduction. Au delà, de 100-200 km, l’augmentation de la température avec la profondeur est plus lente. Autour de la limite manteau/noyau, dans la couche dite D’’, la température augmente à nouveau rapidement. Ce profil en forme de Z est donc caractéristique d’un système convectif.
III.C.2. Un flux de chaleur inégalement réparti
Les mesures du flux de chaleur à différents endroits du globe montre qu’il se répartit de manière très hétérogène. Cela renforce l’idée que les enveloppes silicatées (manteau + croûte) sont en convection.
III.C.3. La tomographie sismique révèle des hétérogénéités latérales de température
La tomographie sismique (cf. chapitre précédent) a révélé que la température du manteau n'est pas homogène latéralement.
On peut interpréter les zones froides (corrélée aux zones de subduction observées en surface) comme des panneaux de lithosphère océanique âgée et froide plongeant dans l'asthénosphère. Ainsi, la lithosphère océanique est la couche limite thermique froide du système Terre.
Les points chauds sont à l'inverse, des zones de remontées de matériaux mantelliques chauds depuis l'interface noyau/manteau appelée couche D" (prononcée D seconde). La couche D" est donc la couche limite thermique chaude du système. Les géologues pensent que la remontée de panaches des points chauds est favorisée/déclenchée par l'accumulation de matériaux subduits à la base du manteau, qui déstabilisent la couche D".
En résumé, de nombreuses observations attestent que la terre solide est un système convectif : on a donc une convection à l'état solide ! Les mouvements des plaques tectoniques en surface ne sont que la manifestation de ces vastes mouvements de matière.
Lithosphère océanique : CLT froide
Zone de subduction : Zone de plongement de la CLT froide
Couche D’’ : CLT chaude
Panache de points chauds : Zone de remontée localisée de la CLT chaude
Dorsale océanique : Zone de remontée peu enracinée
Lithosphère continentale : « Couvercle » du système
Radioactivité du manteau : Production de chaleur "dans la masse"
Qu'est-ce que le flux géothermique ? son unité ?
Combien vaut-il à l'échelle de la Terre ?
Quel sont les différents modes de dissipation de la chaleur ?
Quelles différences y a-t-il entre eux ?
Qu'est-ce que le géotherme ?
Quelle forme le géotherme devrait-il avoir si la Terre se refroidissait uniquement par conduction ?
Quelle forme le géotherme devrait-il avoir si la Terre se refroidissait par convection ?
Quelle forme le géotherme a-t-il réellement ? Que peut-on en conclure ?
Comment le flux de chaleur devrait-il être si la Terre se refroidissait uniquement par conduction ?
Comment le flux de chaleur devrait-il être si la Terre se refroidissait par convection ?
Comment le flux de chaleur est-il réellement ? Que peut-on en conclure ?
Qu'est-ce qu'une couche limite thermique dans un système convectif ?
A quoi correspond la CLT froide sur Terre ?
A quoi correspond la CLT chaude sur Terre ?
Quel est le rôle de la radioactivité dans tout cela ?
Quels sont les principaux éléments radioactifs ? Où se trouvent-ils ?
