Dynamique du domaine continental et propriétés thermiques de la Terre (Amérique du Nord, mai 2013, partie 1)

Énoncé

Cette partie comporte 2 sous-parties indépendantes l'une de l'autre : un questionnaire à choix multiple (QCM) et une question de synthèse. L'ordre de traitement des 2 parties est laissé au choix du candidat.
QCM
Le domaine continental et sa dynamique.
À partir des connaissances, répondre au QCM en cochant la bonne réponse.
Question 1
Les ophiolites sont :
❑ des fossiles marins.
❑ la trace d'un domaine océanique disparu.
❑ un domaine continental déformé à la suite d'une collision.
❑ des minéraux caractéristiques du granite.
Question 2
En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique :
❑  s'épaissit à cause de son refroidissement, ce qui augmente sa densité.
❑  se refroidit à cause de son épaississement, ce qui augmente sa densité.
❑  subit un plissement intense.
❑  s'épaissit et se refroidit, sans modification de sa densité.
Question 3
Une chaîne de montagne récente :
❑  présente en général un relief moins élevé qu'une chaîne de montagne ancienne.
❑  ne présente aucune érosion.
❑  présente un relief en surface appelé racine crustale.
❑  peut présenter des marqueurs de subduction océanique et de collision.
Question de synthèse
Géothermie et propriétés thermiques de la Terre.
La Terre est une machine thermique : elle libère une énergie qualifiée de géothermique, potentiellement utilisable par l'Homme, et variable d'un endroit à un autre.
Après avoir indiqué l'origine du flux géothermique, décrire les mécanismes de transferts thermiques vers la surface et comparer les variations de ce flux selon le contexte géodynamique (dorsale et zone de subduction).
Aucune valeur de flux géothermique n'est attendue. La réponse devra être structurée avec une introduction et une conclusion.
Comprendre la question
L'énoncé indique les thèmes à étudier en précisant leur ordre. La synthèse doit donc être structurée en trois parties :
  • l'origine du flux géothermique ;
  • les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre ;
  • la comparaison des variations du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique.
Dans cette dernière partie, l'énoncé précise les deux cas de contexte géodynamique à étudier.
Procéder par étapes
1e étape : identifier le type de réponse attendue
Une synthèse structurée accompagnée d'une introduction et d'une conclusion est attendue. Il est recommandé que la synthèse intègre un ou plusieurs schémas illustrant les notions abordées, même si l'énoncé ne l'exige pas.
2e étape : élaborer un plan détaillé de la synthèse au brouillon
Sur votre feuille de brouillon, après voir repris la structure de la synthèse définie par l'énoncé, vous complétez chaque partie avec vos connaissances, en y intégrant les mots-clés du cours, les définitions etc. Vous devez vérifier que les éléments issus des connaissances sont complets. Une partie sur l'utilisation de la géothermie par l'homme est ici hors-sujet. Puis, vous complétez le plan détaillé de la synthèse par les prévisions des schémas qui seront présents dans votre copie.
Le tableau suivant présente un exemple de plan détaillé construit au brouillon.
Structure de la synthèse
Éléments issus des connaissances
Introduction
I. L'origine du flux géothermique
Désintégration des éléments radioactifs
II. Les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre
Conduction
Convection
Cellules de convection mantellique
III. La comparaison des variations du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique
Dorsales : fort flux géothermique
Zone de subduction : faible flux géothermique
Schéma-bilan : transferts d'énergie géothermique au niveau du globe
Conclusion

3e étape : structurer l'introduction et la conclusion au brouillon
L'introduction s'organise en trois parties  :
  • la présentation du sujet ou l'entrée en matière : on peut partir des manifestations de l'énergie géothermique visibles à la surface terrestre (éruptions volcaniques, geysers etc.) pour aboutir à la notion de flux géothermique, que l'on définira avec précision ;
  • la problématique : il s'agit de l'origine et des caractéristiques du flux géothermique ;
  • l'annonce de la résolution du problème posé, correspondant à l'annonce du plan de la synthèse : dans ce sujet, l'absence de problématique globale fait que la problématique et l'annonce du plan sont redondantes.

La conclusion se structure en deux parties :
  • le bilan ou la réponse à la problématique : la désintégration d'éléments radioactifs terrestres est à l'origine d'une énergie thermique transférée par conduction et convection jusqu'à la surface terrestre. Le flux géothermique varie selon le contexte géodynamique : il est élevé au niveau des dorsales et faible dans les zones de subduction ;
  • l'ouverture vers un sujet voisin : l'exploitation par l'homme de l'énergie géothermique.
4e étape : rédiger la réponse sur la copie
Rédigez directement l'introduction, le développement de la synthèse en y intégrant les schémas puis la conclusion. Pour plus de clarté, vous pouvez structurer votre synthèse par des titres numérotés et mis en valeur. Vos schémas doivent être grands, clairs, en couleurs et accompagnés de légendes et d'un titre.

Corrigé

QCM : le domaine continental et sa dynamique
Question 1
Les ophiolites sont : la trace d'un domaine océanique disparu.
Question 2
En s'éloignant de la dorsale, la lithosphère océanique : s'épaissit à cause de son refroidissement, ce qui augmente sa densité.
Question 3
Une chaîne de montagne récente : peut présenter des marqueurs de subduction océanique et de collision.
Question de synthèse : géothermie et propriétés thermiques de la Terre
Introduction
De nombreuses manifestations à la surface de la Terre témoignent de l'existence d'une énergie thermique issue de l'intérieur du globe terrestre : éruptions volcaniques, sources chaudes hydrothermales, geysers, etc. La quantité d'énergie thermique dissipée à la surface terrestre par unité de surface et par unité de temps est appelée flux géothermique. Quelle est l'origine de cette énergie géothermique et comment cette énergie géothermique est-elle transférée dans la Terre ? Comment varie le flux géothermique en fonction des différents contextes géodynamiques ? Pour répondre à ces problématiques, nous préciserons d'abord l'origine de l'énergie géothermique, puis nous étudierons les modalités de transfert de l'énergie géothermique au sein du globe terrestre, et nous expliquerons les variations du flux géothermique dans deux contextes géodynamiques différents, les dorsales et les zones de subduction.
I. L'origine du flux géothermique
L'énergie géothermique interne provient essentiellement de la désintégration des éléments radioactifs (238U, 235U, 232Th, 40K) présents dans les roches des différentes enveloppes du globe.
II. Les mécanismes de transferts thermiques vers la surface de la Terre
L'énergie thermique produite dans la Terre est transférée dans le globe selon deux modalités : la conduction et la convection. La conduction est le transfert d'énergie thermique de proche en proche sans déplacement de matière. Au sein de la lithosphère et à l'interface noyau/ manteau, l'énergie géothermique est transférée par conduction. Par exemple, dans la croûte terrestre, le gradient géothermique moyen est de 30 °C.km −1. La convection est le transfert d'énergie thermique avec un déplacement de matière, qui constitue un mécanisme efficace de transfert d'énergie. Elle se met en place lorsqu'un matériel chaud et peu dense est situé sous un matérielplus froid et plus dense. Le matériel chaud et peu dense s'élève tandis que le matériel froid et plus dense descend et se réchauffe à son tour. Ces mouvements de matière constituent des cellules de convection, qui existent dans le manteau et le noyau. Le manteau est ainsi animé de mouvements lents de convection, qui entraînent le déplacement des plaques lithosphériques situées au-dessus.
III. La comparaison des variations du flux géothermique en fonction du contexte géodynamique
Le flux géothermique est la quantité d'énergie thermique dissipée à la surface terrestre par unité de surface et par unité de temps et est mesuré en W.m −2.
Au niveau des dorsales médio-océaniques, le flux géothermique mesuré est supérieur au flux géothermique moyen des océans. Cette valeur élevée du flux géothermique au niveau des dorsales s'explique par la remontée de matériel chaud responsable de la production de lithosphère océanique nouvelle au niveau des dorsales. Les dorsales sont donc un lieu de forte dissipation de l'énergie géothermique.
À l'inverse, au niveau des zones de subduction, le flux géothermique mesuré est inférieur au flux géothermique moyen. Cette valeur plus faible du flux géothermique au niveau des zones de subduction s'explique par le plongement de la lithosphère océanique âgée, froide et dense. Dans les zones de subduction, au niveau des cordillères ou des arcs volcaniques, on peut mesurer localement un flux géothermique plus élevé, conséquence du magmatisme liée à la subduction.
Conclusion
Ainsi, l'énergie géothermique principalement issue de la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les enveloppes terrestres est transférée à travers la Terre par convection et conduction. La dissipation de cette énergie géothermique est à l'origine d'un flux géothermique variable en fonction du contexte géodynamique. La Terre est donc une machine thermique, que l'homme peut exploiter pour ses besoins énergétiques grâce à des exploitations géothermiques. Actuellement, la géothermique ne couvre environ qu'un pourcent des besoins énergétiques mondiaux pour la production d'électricité et de chaleur. Il s'agit pourtant d'une source d'énergie inépuisable à l'échelle humaine, écologique et économique, au service du développement durable et qui pourrait être davantage utilisée.