L'énergie interne de la Terre : dissipation et origine

 

L'activité de la Terre est liée à son énergie accumulée dans ses différentes enveloppes. Une partie de cette énergie est libérée en surface et fait fonctionner la machine thermique Terre. Elle est dissipée sous forme d'énergie thermique et mécanique. Les tremblements de terre sont des manifestations spectaculaires de la dissipation de l'énergie mécanique. Pourtant cette énergie ne représente qu'une faible part, moins de 1% de l'énergie totale libérée. Le tremblement de terre du Chili (en 1960), le plus grand enregistré, ne libéra que 1019 J.

Comment l'énergie produite à l'intérieur de la Terre est-elle dissipée ?

Travaux pratiques : montrer que les roches de la Terre sont radioactives

Pour cela, écouter et mesurer les émissions radioactives d'une roche à l'aide d'un compteur Geiger.
Dans la plupart des laboratoires de physique des lycées, on trouve un compteur CRAB avec une source radioactive, un détecteur de rayonnements, des écrans d'aluminium et de plomb, et une échelle de comptage. Les émissions peuvent être enregistrées par un micro et étudiées avec un logiciel d'étude de son (présent sur tout ordinateur multimédia). On peut ainsi montrer que certaines roches (granite par exemple) sont plus radioactives que d'autres. L'ensemble ALEACRAB (de chez Micrelec) permet d'automatiser les mesures. Il contient un module en relation avec le port série d'un ordinateur et un logiciel.

Après ce travail pratique, il est possible de montrer que l'ensemble des roches est radioactif, en comparant une carte géologique à une carte montrant des mesures de radioactivité. Vous trouverez de tels documents sur les sites suivants :

• Mesures aériennes de radioactivité au Canada
http://gamma.gsc.nrcan.gc.ca/appgeo_f.html

• Mesures en Camargue
http://www.ipsn.fr/Camargue/camargue.htm

• Comparaison entre carte géologique en guyane et mesures de radioactivité
http://www.cite-sciences.fr/outre-mer/OUTREMER/RECHERCHES/recherches_6.htm

 

2) Observer les conséquences d'une réaction radioactive dans une lame mince

Prendre une lame mince de granite. Dans les cristaux de biotite, on trouve souvent inclus des zircons. Ceux-ci sont souvent entourés d'une auréole noire due à une désintégration radioactive. Cette observation permet de visualiser la radioactivité dans un granite.

 

3) Rechercher les éléments radioactifs

Les principaux éléments radioactifs que l'on trouve dans les roches sont :

Parent

Eléments fils stable

Chaleur émise
(W/kg)

Demi-vie

Uranium-238

Plomb-206

9.4 X 10-5

4.5 billions années

Uranium-235

Plomb-207

5.7 X 10-4

704 millions années

Thorium-232 

Plomb-208

2.7 X 10-5

14.0 billions années

Potassium-40 

Argon-40

2.8 X 10-5

1.25 billions années

La production de chaleur des roches dépend des concentrations en éléments radioactifs ci-dessus mais aussi du type de roches qui engendre de faibles variations.

Une formule de production de chaleur en µW/kg est :
Q = 95,2 CU + 25,6CTh + 0,00348CK

 

La répartition de ces éléments dans les roches est la suivante :

Concentration

Chaleur produite

(10-10 W/kg)

Granite

Basalte tholéitique

Basalte alcalin

Péridotite

Moyenne croûte continentale

Moyenne croûte océanique

Manteau

Noyau

U (ppm)

4

3.9

0.1

0.1

0.8

0.8

0.006

0.006

1.6

1.6

0.9

0.9

0.02

0.02
0.0001

0.00001

Th (ppm)

15

4.1

0.4

0.1

2.5

0.7

0.04

0.010

5.8

1.6

2.7

0.7

0.10

0.03
0.0001

0.00002

K (%)

3.5

1.3

0.2

0.1

1.2

0.4

0.01

0.004

2.0

0.7

0.4

0.1

0.02

0.007
0.0001

0.00002

Total

9.3

0.3

1.9

0.020

3.9

 

1.7

0.057
 

0.00005

Densité

2700

2800

2700

3200

2700

2900

3200

3200

Chaleur(mW/m^3)

2.5

0.08

0.5

0.006

1

0.5

0.02
 

0.000015


Ces données sont extraites du site canadien de l'université de géophysique d'Alberta.

 

Avec les élèves, il est possible de faire un travail pratique sur tableur.
Les données nécessaires sont entrées dans une feuille EXCEL comme le montrent les captures d'écran suivantes :


Tableau final avec les valeur obtenues

Voir une copie d'écran
Lancer le fichier excel : chaleur.xls

 


Tableau avec les formules

Voir une copie d'écran
Lancer le fichier excel : chaleur_form.xls

 


Tableau vide pour réaliser l'exercice

Voir une copie d'écran
Lancer le fichier excel : chaleur_exo.xls

 

 

Il est possible ensuite de réaliser un graphe, tout d'abord de la production par roche et par enveloppe, puis des enveloppes globales :

 

 

Quelques données sur les flux de chaleur. http://www.unites.uqam.ca/~sct/
flux_de_chaleur/FrameSet1.html
Un approfondissement sur l'énegie thermique de la Terre. http://www.int-evry.fr/upa/Contributions/Devoirs/
ENS_Geol_98/98ensg.htm#R3A
Tomographie sismique à différentes profondeur. http://aster.unice.fr
(à partir du menu choisir des séismes à la sismologie puis tomographie sismique du globe terrestre)

Tomographie sismique montrant la LVZ.

http://www.seismology.harvard.edu/
projects/3D/S20A/S20A.html

Cours sur la dissipation de la chaleur de la Terre.

http://rubble.phys.ualberta.ca
(de la racine cliquez sur cours de biologie cellulaire, puis sur biochimie, puis synthèse des protéines)

 

 

 

 

 

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