Modèles de Terre thermiques

1. Modèles de Terre thermiques Comment la chaleur est le moteur de la Terre!

2. Manifestations énergétiques • Pour obtenir un modèle thermique de Terre il faut connaître les sources d’énergie • L’énergie est dissipée de différentes manières • Les séismes: • les ondes sismiques des séismes: portent une partie de l’énergie du séisme, pas les effets de friction par ex. borne minimale. Les plus grands séismes (chili 1960, Sumatra 2004) atteignent 1019-1020J. • Faible fréquence, énergie totale faible, puissance moyenne du globe 3.1011 W • Les éruptions: • Energie dégagée considérable de l’ordre de 1015-1016J pour les plus violentes (Mt St Helens 1980, Tambora 1815)

3. Bilan énergétique • Mêmes si spectaculaires, ces manifestations ne représentent que 1% du bilan énergétique de la Terre. • L’essentiel de l’énergie est dissipée comme la chaleur rayonnée dans l’espace • Cette chaleur arrive en surface par conduction à travers la croûte (gradient de 30°C/km) et par l ’émission de laves le long des dorsales. • Le flux de chaleur moyen est 80mW/m2 (surface de la Terre = 5,1.1014 m2. • Chaleur totale dissipée= ~4 1013W, beaucoup mais peu comparée à celle reçue du soleil ~7 1017W qui génère toutes les manifestations externes (météo, altération etc) • « la Terre construit les montagnes, le soleil les détruit! »

4. Sources d’énergie • Chaleur primitive et chaleur produite • Chaleur primitive essentiellement gravitationnelle due à la dissipation d’énergie potentielle au cours de l’accrétion par attraction gravitationnelle. • Energie considérable des impacts qui engendre la différenciation des planètes entre noyau et manteau • Chutes des gouttes de fer vers le centre de la Terre libère aussi de l’énergie potentielle • Désintégrations éteintes comme 26Al (700ka) • Aujourd’hui (estimation difficile) on considère que la chaleur primitive = 20% de la chaleur dissipée

5. Sources d’énergie • 80%: désintégration radioactive de 3 éléments: U, Th et K dans la croûte et le manteau • 238U(4,5 109a) et 235U (710 106a) produisent ~ 10 13W (chaînes de désintégration) • 232Th (14 109a) ~10 13W aussi (3 à 4 x plus abondant que U) (chaîne de désintégration) • 40K (1,3 109a) ~0,4 1013W (abondant mais peu de chaleur par désintégration)

6. Evolution des sources d’énergie • Bilan de chaleur de la Terre • Désintégration croûte: 0,8 10 13W • Désintégration manteau: 2,4 10 13W • Refroidissement séculaire: 10 13W Total: 4,2 10 13W

7. Sources d’énergie: synthèse La quantité de chaleur que reçoit la Terre du soleil est 20000 fois supérieure à ce que dégage la Terre interne!

8. Modes de transport Le rayonnement La Terre absorbe l’énergie solaire (1400W/m2) en partie dans le visible. L’atmosphère absorbe la plus grande partie, le sol réémet 320W/m2 dans l’infrarouge. Le CO2 en absorbe beaucoup, effet de serre. La Terre interne est opaque au rayonnement du fait de la pression et il ne peut pas transporter d’énergie efficacement

10. Modes de transport La conduction C’est la transmission des vibrations thermiques de proche en proche du chaud vers le froid. Surtout dans les solides. La faculté à transmettre la chaleur est la conductivité thermique, propriétés des matériaux

11. Modes de transport Dans les enveloppes terrestres il faut: • Evacuer la chaleur de la couche inférieure plus chaude • Evacuer la chaleur produite in situ dans chacune de couches. • Noyau externe: chaleur dégagée par la graine solide plus la chaleur produite dans le noyau externe • Manteau inférieur: chaleur dégagée par le noyau externe plus la chaleur produite dans le manteau inférieur • Etc…. • Advection = mouvement du solide lui même qui peut transporter de la chaleur • Remontée et épanchement de laves • Réajustement isostatique • Subduction de matériaux froids

12. Modes de transport La convection Quand la conduction ne suffit pas à maintenir un équilibre, la température augmente jusqu’à modifier le comportement mécanique du solide, la convection démarre. La matière chaude se met en mouvement pour transporter elle même la chaleur. A cause de la radioactivité, la Terre doit être convective; à une échelle de temps de plus de 10ka, le manteau est visqueux et se déplace à des vitesses de quelques cm par an. Le noyau est beaucoup plus fluide, vitesse de quelques mètres par heure! Les enveloppes sont en équilibre, les plus légères recouvrant es plus denses. Les perturbations viennent donc de différences de T Mais à une échelle de temps courte, quelques heures, le manteau est solide, et même élastique!

13. Modes de transport Moteur de la convection = force d’Archimède. Au cours de son échauffement un volume de manteau se dilate un peu (dilat. thermique du la péridotite = 3.10-5, fer 10-5) Si elle dépasse le frottement visqueux, il y a mouvement.

14. Modes de transport Si les matériaux ne peuvent pas se mélanger (interface solide-liquide de la graine et du noyau externe) ou de densités très différentes (interface noyau externe- manteau inférieur), des niveaux distincts de convection se mettent en place. Le gradient géothermique est faible dans les couches convectives et fort dans les couches limites.

15. Convection et fusion La convection permet la remontée de manteau chaud sans réel refroidissement jusqu’à faible profondeur: remontée adiabatique; Elle entraîne la fusion partielle.

16. Flux de chaleur Les flux de chaleur océanique et continental diffèrent. Il varie en milieu océanique de 300mW/m2 près des dorsales à 60mW/m2 pour la lithosphère âgée de 60Ma. Il est plus homogène sur les continents

17. Le champ de gravité terrestre Définition du champ de pesanteur Différence de g entre pôles et équateur: 0,0521m/s2 pas explicable par ac. La Terre n’est pas une sphère mais un ellipsoïde aplati aux pôles

18. Le géoïde • Si la Terre était une sphère et la répartition des masses homogènes la Terre serait une sphère.

19. Mesure du géoïde La précision actuelle des satellites est meilleure que 5cm. La carte d’anomalies du géoïde est extrapolée en cartes d’anomalies de la gravité terrestre.

20. Interprétation du géoïde Petites longueurs d’ondes: unités lithosphériques Grandes longueurs d’ondes: dynamique du manteau

21. Géoïde: petites longueurs d’ondes Petites longueurs d’ondes: • dorsale = bosse de 10m • fosse océanique = creux de 10à 20m • volcan sous marin =bosse de quelques mètres Bonne image des reliefs sous marins Méthode utilisée pour établir des cartes dites de bathymétrie prédite des fonds océaniques tels qu’on les connaît aujourd’hui

22. Géoïde: grandes longueurs d’ondes Interprétation en termes de dynamique du manteau: il y a anticorrélation entre tomographie sismique et géoïde. Une anomalie plus dense en tomographie montre un géoïde plus élevé: cela traduit une densité plus faible