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article Un modèle analogique simple pour expliquer la forme du géotherme     -    publié le 27/04/2016

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• Nos motivations pédagogiques

Dans la partie traitant les propriétés thermiques de la Terre, (Thème 2 : enjeux planétaires contemporains) la difficulté n’est pas de faire comprendre que les mouvements convectifs n’ont lieux que dans le manteau. Les élèves savent ce qu’est la lithosphère, ils ont compris les remontées asthénosphériques de magma en première S, avec le fonctionnement des dorsales et des points chauds.
Par contre, chaque année, au moment du cours récapitulatif, nous "butions" dans nos explications sur quelque chose de paradoxal pour un élève de terminale : comment se fait-il que la pente du géotherme dans le manteau soit moins marquée que dans la croûte, alors que c’est justement dans le manteau que le transfert thermique est le plus efficace (du fait de la convection) et qu’en plus, on se rapproche du noyau, donc de la source d’énergie thermique ?

Autrement dit : Comment se fait-il que la température augmente davantage (ou + vite...) dans la croute terrestre que dans le manteau alors que celui-ci est plus proche de la source de chaleur et que la convection est plus efficace que la conduction dans le transfert de chaleur ?

Même si nos TP étaient centrés sur cette problématique, le modèle classique utilisant l’eau + thermoplongeur ne permettait pas de mettre en évidence que les transferts de chaleur se font différemment suivant les propriétés du milieu puisque nous n’utilisions que de l’eau. Par ailleurs, quand le chauffage se fait par le haut (simuler la conduction), cela ne permet pas non plus de comprendre ce qui se passe dans la terre puisque la chaleur se propage dans la masse du manteau avant d’arriver en surface.

Enfin, pour certains élèves la courbe même du géotherme est difficile à appréhender tant qu’ils ne l’ont pas « simulée » par eux-mêmes. Le graphique prend du sens quand ils doivent le construire et il n’est pas rare que les inversions des axes soient aussi une source de blocage. En effet, ici le géotherme correspond à l’évolution des températures en fonction de la profondeur. Or, avec la "règle" du y=f(x), ils s’attendent à avoir les températures en ordonnées et les profondeurs en abcisses...

L’activité que nous proposons ici est entièrement axée sur l’explication du géotherme terrestre qui est d’ailleurs donné en document de référence. C’est l’objectif de la séance : expliquer la forme du géotherme présenté dans le document à l’aide des résultats d’expérimentation d’un modèle analogique.

Document de référence sur le géotherme

Document tiré du manuel TS Nathan (programme 2012) page 230

• Les connaissances préalables

Pour favoriser l’autonomie dans la réflexion, quelques termes sont définis :

  • La géothermie ou l’énergie thermique en provenance des profondeurs de la Terre est utilisée depuis l’Antiquité. Elle provient de la désintégration d’éléments radioactifs (235U, 238Th, 232Th, 40K) dans les différentes enveloppes terrestres.
  • Le flux géothermique correspond à la quantité de chaleur qui a diffusé des profondeurs jusqu’en surface (donc mesurée au niveau du sol). Ses nombreuses variations sont logiquement dépendantes du contexte géologique de la zone étudiée...
  • Le gradient géothermique correspond à un relevé direct ou indirect des températures du sous-sol. Plus on s’enfonce, plus la température augmente. La courbe des températures en fonction de la profondeur constitue le géotherme. L’allure du géotherme renseigne sur la faisabilité d’exploitation des ressources géothermiques.
  • La tomographie sismique est la technologie utilisée pour évaluer indirectement les températures du globe au delà de quelques km de profondeur. La vitesse des ondes sismiques (qui dépend de la T°C des roches traversées) est traduite en couleur étalonnées en % de différence de vitesse / vitesse normale. Quand les ondes ralentissent, la zone traversée, moins dense, est plus chaude...

La tomographie sismique est aussi définie car le TP se prolonge par l’étude de sites d’exploitations géothermiques avec l’aide de l’application flash de Philippe Cosentino.

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