الاستعداد لمباراة CRMEFPréparation CRMEFمباراة CRMEFCRMEF SVT

التدفق الحراري والسياق الجيودينامي

أهداف الدرس

في نهاية هذا الدرس، ينبغي أن تكون قادرًا على:

  • التذكير بتعريف التدفق الحراري الأرضي وطريقة حسابه ورتب مقداره؛
  • التمييز بين الأنماط الثلاثة لانتقال الحرارة (التوصيل، الحمل الحراري، النقل بانتقال المادة) ومجال اشتغال كل منها؛
  • تفسير ارتباط التدفق عكسيًا بسُمك الغلاف الصخري بمبدأ واحد؛
  • وصف تناقص التدفق مع عمر قعر المحيط وتفسيره، وتأويل الفرق بين التدفق المقيس والتدفق النظري قرب الظهرات؛
  • تأويل مقطع التدفق عبر منطقة طمر (خندق بارد، قوس ساخن)؛
  • تفسير تدفق المجالات القارية (القواعد القديمة، الحفر الانهدامية، سلاسل الاصطدام) مع مراعاة الحرارة الإشعاعية المنشأ للقشرة؛
  • استعمال التدفق الحراري الأرضي مؤشرًا على السياق الجيودينامي.

1. تذكير: قياس الحرارة الخارجة من الأرض

1.1 التعريف والحساب

التدفق الحراري الأرضي (Flux géothermique) q هو كمية الحرارة التي تعبر سطح الأرض لكل وحدة مساحة ووحدة زمن. ويُعبَّر عنه بـmW/m². ويُحسب بقانون فورييه (الدرس 132):

q = k × (ΔT / Δz)

حيث k الموصلية الحرارية (Conductivité thermique) للصخرة (W·m⁻¹·K⁻¹) وΔT/Δz التدرج الحراري الأرضي (Gradient géothermique) (°م/كلم، أو K/m)، المقيس في أثقاب على القارة أو بمجسّات مغروزة في الرواسب بقاع المحيطات.

1.2 رتب المقدار

المجال التدفق المتوسط (رتبة المقدار)
متوسط الكرة الأرضية ≈ 85–90 mW/m²
المجالات المحيطية (المتوسط) ≈ 100 mW/m²
المجالات القارية (المتوسط) ≈ 65 mW/m²
محور الظهرات عدة مئات من mW/m²
الدروع ما قبل الكمبرية (القواعد القديمة) ≈ 40 mW/m²

وإجمالًا، تفقد الأرض نحو 45 TW، يمر الجزء الأكبر منها عبر المحيطات.

1.3 مصدر الحرارة

مصدران متقاربا الوزن على سلّم الكرة الأرضية:

  • الحرارة الإشعاعية المنشأ (Chaleur radiogénique)، الناتجة عن تفتت الأورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم-40؛ وهذه العناصر مركّزة بقوة في القشرة القارية، ولا سيما في الصخور الكرانيتية؛
  • الحرارة الأولية (Chaleur primitive)، الموروثة عن التراكم والتمايز (الدرس 131)، والتي تتسرّب ببطء: فالأرض تتبرّد.

2. كيف تعبر الحرارة الأرض

النمط المبدأ أين يغلب؟
التوصيل (Conduction) انتقال من جزء إلى آخر دون انتقال للمادة؛ بطيء الغلاف الصخري (الصلب)
الحمل الحراري (Convection) نقل الحرارة بحركات للمادة ناتجة عن اختلافات الكثافة؛ فعّال الرداء تحت الغلاف الصخري (الأستينوسفير والرداء العميق)، النواة الخارجية
النقل بانتقال المادة (Advection) نقل الحرارة بمائع ينتقل (صهارة، ماء) الظهرات (الدوران الحرمائي)، البراكين، الاندساسات

3. المبدأ الموحِّد: التدفق وسُمك الغلاف الصخري

إذا عبرت الحرارة الغلاف الصخري بالتوصيل بين قاعدة عند ≈ 1300 °م وسطح عند ≈ 0 °م، فإن التدرج المتوسط يساوي ≈ 1300 / L، حيث L سُمك الغلاف الصخري. وفي تقريب أول، بالنسبة لغلاف صخري لا ينتج حرارة داخلية:

q ≈ k × 1300 / L

مثال — مع k ≈ 3 W·m⁻¹·K⁻¹:

  • L = 100 كلم: q ≈ 3 × 1300 / 100 000 ≈ 0,039 W/m² ≈ 40 mW/m²؛
  • L = 10 كلم: q ≈ 390 mW/m².
صورة 1 — قيد الإعداد
وصف الوثيقة

خريطة للعالم علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، إسقاط روبنسون، رسم مسطح (flat vector)، تمثل التدفق الحراري الأرضي في السطح بسلّم ألوان متصل من الأزرق (≈ 30–40 mW/m²) إلى الأحمر (> 200 mW/m²)، موسوم بـ mW/m². يجب أن يُرى: أشرطة حمراء ضيقة ومتصلة على طول الظهرات المحيطية (الأطلسية الوسطى، الهندية، شرق الهادي)، تنتقل ألوانها تدريجيًا إلى الأصفر ثم الأخضر فالأزرق على الجانبين بالابتعاد عن المحاور؛ مناطق حمراء أو برتقالية على الحفرة الانهدامية لشرق إفريقيا وغرب الولايات المتحدة والأقواس البركانية لغرب الهادي؛ مناطق زرقاء على الدروع القديمة (كندا، إفريقيا الغربية، إسكندنافيا، غرب أستراليا، سيبيريا). حدود الصفائح بخطوط سوداء رفيعة. خلفية بيضاء، تسميات بخط عربي واضح

4. التدفق في المجال المحيطي

4.1 التناقص مع العمر

عند محور ظهرة، يكون الرداء الساخن قريبًا جدًّا من السطح: فيكون التدفق أقصى. وبالابتعاد عن المحور، يزداد سُمك الغلاف الصخري بتبرّده (الدرس 161): فـيتناقص التدفق. ويتنبأ نموذج التبرّد بتناقص يتناسب مع مقلوب الجذر المربع للعمر:

q (mW/m²) ≈ 500 / √t (t بملايين السنين)

مثال — قعر عمره 25 مليون سنة: q ≈ 500 / 5 = 100 mW/m²؛ وقعر عمره 100 مليون سنة: q ≈ 500 / 10 = 50 mW/m².

وهكذا ترتبط ثلاثة مقادير بالتقادم الحراري للغلاف الصخري المحيطي وحده: يزداد السُّمك كـ√t، ويزداد عمق القعر كـ√t، ويتناقص التدفق كـ1/√t.

صورة 2 — قيد الإعداد
وصف الوثيقة

مبيان علمي تعليمي بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector). المحور الأفقي: عمر قعر المحيط من 0 إلى 150 مليون سنة؛ المحور العمودي: التدفق الحراري الأرضي من 0 إلى 400 mW/m². منحنى أحمر متصل متناقص، مرتفع جدًّا قرب 0 ثم يتسطّح، موسوم «التدفق النظري (تبرّد بالتوصيل، ∝ 1/√t)». نقط سوداء تمثل قياسات: بالنسبة للأعمار التي تفوق ≈ 65 مليون سنة تقع على المنحنى؛ وبالنسبة للأعمار الأقل تقع تحت المنحنى بوضوح ومبعثرة كثيرًا. المنطقة بين المنحنى والنقط الحديثة مهشّرة بالأزرق وموسومة «حرارة مُصرَّفة بالدوران الحرمائي». وفي إطار صغير، خطاطة صغيرة لظهرة تبيّن ماء البحر (أسهم زرقاء) ينزل في القشرة المتشققة، ويسخن بتماس الغرفة الصهارية، ويخرج من مدخنة داكنة موسومة «مدخنة سوداء». خلفية بيضاء، تسميات بخط عربي واضح

4.2 الفرق قرب الظهرات: الدوران الحرمائي

على قعر حديث (أقل من ≈ 60–65 مليون سنة)، تكون التدفقات المقيسة غالبًا أدنى من التدفق النظري وشديدة التبعثر. ليس لأن الغلاف الصخري يفقد حرارة أقل، بل لأن جزءًا من الحرارة لا يمر بالتوصيل:

  1. يتسرّب ماء البحر في القشرة الحديثة، المتشققة والقليلة الغطاء الرسوبي بعد؛
  2. يسخن بتماس الصخور الساخنة، وأحيانًا بجوار الغرفة الصهارية؛
  3. يصعد ويخرج في القاع، حتى ≈ 350 °م في المداخن السوداء (Fumeurs noirs)، حاملًا الحرارة بـالنقل بانتقال المادة.

والحال أن المجسّات لا تقيس إلا الحرارة المنقولة بالتوصيل. ومع العمر، يزداد سُمك الغطاء الرسوبي الكتيم وتنسدّ الشقوق: فيتوقف الدوران، وتلتحق القياسات بالمنحنى النظري. ذلك هو الدوران الحرمائي (Circulation hydrothermale).

5. التدفق في مناطق الطمر

صورة 3 — قيد الإعداد
وصف الوثيقة

لوحة علمية تعليمية بأسلوب كتاب مدرسي، رسم مسطح (flat vector)، من جزأين مصطفين على المحور الأفقي نفسه (المسافة عن الخندق، من −100 إلى 500 كلم). في الأعلى: مبيان للتدفق الحراري الأرضي (0 إلى 150 mW/m²) يُظهر منحنى أسود منخفضًا (≈ 30–40 mW/m²) عند الخندق ومقدّم القوس، يرتفع فجأة إلى ≈ 80–120 mW/m² عند القوس البركاني ويبقى مرتفعًا خلف القوس؛ مناطق موسومة «خندق»، «مقدّم القوس: تدفق ضعيف»، «قوس بركاني: تدفق قوي»، «خلف القوس». في الأسفل: مقطع منطقة الطمر الموافقة، غلاف صخري محيطي رمادي مزرق يغوص تحت صفيحة راكبة، مع خطوط تساوي حرارة منحنية (300، 600، 900، 1200 °م) بخطوط برتقالية منغرزة بقوة نحو الأسفل على طول اللوح الغائص (الذي يبرّد محيطه) وترتفع تحت القوس، حيث تغذّي منطقةٌ حمراء من الصهارة براكينَ على السطح. خلفية بيضاء، تسميات بخط عربي واضح

تُبدي منطقة الطمر مقطعًا للتدفق غير متناظر مميزًا:

المنطقة التدفق التفسير
الخندق ومقدّم القوس ضعيف (≈ 30–40 mW/m²) الغلاف الصخري المحيطي الغائص، البارد، يبرّد المنطقة الواقعة فوقه: خطوط تساوي الحرارة منغرزة
القوس البركاني قوي صعود صهارات متكوّنة فوق اللوح الغائص: نقل للحرارة بانتقال المادة (الدرس 169)
خلف القوس قوي غالبًا غلاف صخري مرقَّق، في حالة تمدد أحيانًا (أحواض خلف القوس)

6. التدفق في المجالات القارية

6.1 دور القشرة الإشعاعية

في قارة، للتدفق السطحي مركّبتان: جزء آتٍ من الرداء عبر قاعدة القشرة، وجزء منتَج في القشرة نفسها بالنشاط الإشعاعي (U، Th، K)، المركّز في القشرة العليا الكرانيتية. وهكذا قد يكون لمنطقتين ذواتي غلاف صخري متقارب السُّمك تدفقان مختلفان حسب غنى قشرتهما بالعناصر الإشعاعية.

6.2 الحالات الرئيسية

السياق التدفق التفسير
القواعد القديمة (الدروع ما قبل الكمبرية) ضعيف (≈ 40 mW/m²) غلاف صخري سميك جدًّا وبارد؛ قشرة استُنزفت عناصرها الإشعاعية في السطح بتعرية طويلة
الحفر الانهدامية القارية قوي غلاف صخري مرقَّق، صعود الأستينوسفير، صهارية
سلاسل الاصطدام الحديثة مرتفع غالبًا ومتغيّر قشرة متزايدة السُّمك، ومن ثم غنية بالعناصر الإشعاعية، تسخن؛ صعود سريع للصخور العميقة الساخنة أثناء التعرية والاستخراج
النقط الساخنة مرتفع باعتدال صعود عمود تحت الغلاف الصخري (الدرس 170)

6.3 علاقة بالانصهار القشري في سلاسل الاصطدام

لازدياد سُمك القشرة أثناء الاصطدام نتيجتان حراريتان قد تؤديان إلى انصهارها الجزئي (الأناتيكسي Anatexie):

  • التسخين التدريجي للقشرة المتزايدة السُّمك، الغنية بالعناصر الإشعاعية، على عمق شبه ثابت (تسخين شبه متساوي الضغط isobare)؛
  • انخفاض الضغط السريع للصخور الساخنة عندما ترقّ السلسلة أو تتعرّى (صعود شبه كظوم adiabatique، أي دون فقدان يُذكر للحرارة).

وسيُستثمر هذان المساران على مخططات ضغط–حرارة في الدروس المخصصة لصهارية التقارب وللتحول.

7. التدفق الحراري الأرضي، مؤشر على السياق الجيودينامي

السياق التدفق نمط الانتقال الغالب العلاقة بالغلاف الصخري
ظهرة قوي جدًّا، يتناقص مع العمر توصيل + نقل حرمائي وصهاري إنشاء، غلاف صخري رقيق جدًّا
قعر محيطي قديم ضعيف توصيل غلاف صخري سميك وبارد
خندق الطمر / مقدّم القوس ضعيف توصيل يضطربه اللوح البارد هدم غلاف صخري بارد
قوس بركاني قوي نقل صهاري صهارية الطمر
حفرة انهدامية قارية قوي توصيل + نقل صهاري ترقيق
سلسلة اصطدام حديثة مرتفع، متغيّر توصيل + إنتاج إشعاعي ازدياد سُمك القشرة
قاعدة قديمة ضعيف توصيل غلاف صخري سميك وقديم

8. أخطاء شائعة وفخاخ الامتحان

الخطأ التصويب
«التدفق والتدرج الحراري الأرضي مقدار واحد» q = k × التدرج: عند تساوي التدفق، يتوقف التدرج على موصلية الصخرة
«التدفق قوي في كل أنحاء منطقة الطمر» إنه ضعيف عند الخندق ومقدّم القوس، وقوي تحت القوس البركاني
«تدفق مقيس ضعيف قرب ظهرة يدل على غلاف صخري بارد» يعكس فقدانًا للحرارة بـالدوران الحرمائي لا تقيسه المجسّات
«التدفق المحيطي ثابت» يتناقص مع عمر القعر، كـ1/√t
«للقارات تدفق أضعف لأنها تنتج حرارة أقل» القشرة القارية على العكس هي الأغنى بالعناصر الإشعاعية؛ والتدفق القاري المتوسط أضعف لأن الغلاف الصخري القاري سميك
«للقواعد القديمة تدفق ضعيف لأنها بعيدة عن الرداء» غلافها الصخري سميك وبارد وقشرتها السطحية مستنزَفة من العناصر الإشعاعية
«تعبر الحرارة الأرض كلها بالتوصيل» يغلب التوصيل في الغلاف الصخري؛ ويغلب الحمل الحراري في الرداء والنواة الخارجية

9. خلاصة

  • التدفق الحراري الأرضي (mW/m²) يساوي q = k × التدرج؛ متوسطه ≈ 85–90 mW/m² (المحيطات ≈ 100، القارات ≈ 65)؛ وتفقد الأرض ≈ 45 TW.
  • المصادر: الحرارة الإشعاعية المنشأ (U، Th، K، مركّزة في القشرة القارية) والحرارة الأولية.
  • ثلاثة أنماط للانتقال: التوصيل (الغلاف الصخري)، الحمل الحراري (الرداء، النواة الخارجية)، النقل بانتقال المادة (صهارات، موائع).
  • مبدأ موحِّد: q ≈ k × 1300 / L — يرتبط التدفق عكسيًا بسُمك الغلاف الصخري.
  • المحيطات: تدفق أقصى عند محور الظهرات، يتناقص كـ1/√t؛ والعجز المقيس على القعر الحديث ناتج عن الدوران الحرمائي.
  • الطمر: تدفق ضعيف عند الخندق ومقدّم القوس (لوح بارد)، وتدفق قوي تحت القوس (صهارية).
  • القارات: القواعد القديمة باردة، والحفر الانهدامية والسلاسل الحديثة ساخنة؛ يتناقص التدفق مع عمر آخر حدث تكتوني-حراري؛ وقد يؤدي ازدياد سُمك القشرة إلى الأناتيكسي بتسخين متساوي الضغط أو بانخفاض الضغط.
  • التدفق الحراري الأرضي، مع النشاط الزلزالي، بصمة فيزيائية للسياقات الجيودينامية.

الدرس الموالي

البترولوجيا الصهارية: الصهارة الأولية وخصائص الصهارات — بيّن التدفق الحراري أين تتسرّب الحرارة الداخلية أكثر؛ ويدرس الدرس الموالي، الذي يفتتح الصهارية، كيف وأين تؤدي هذه الحرارة إلى الانصهار الجزئي للرداء، وما خصائص الصهارات الناتجة.

Flux géothermique et contexte géodynamique

Objectifs de la leçon

À la fin de cette leçon, vous devez être capable de :

  • rappeler la définition du flux géothermique, son mode de calcul et ses ordres de grandeur ;
  • distinguer les trois modes de transfert de chaleur (conduction, convection, advection) et leur domaine d'action ;
  • expliquer, par un principe unique, pourquoi le flux est inversement lié à l'épaisseur de la lithosphère ;
  • décrire et expliquer la décroissance du flux avec l'âge du plancher océanique, et interpréter l'écart entre flux mesuré et flux théorique près des dorsales ;
  • interpréter le profil de flux à travers une zone de subduction (fosse froide, arc chaud) ;
  • expliquer le flux des domaines continentaux (cratons, rifts, chaînes de collision) en tenant compte de la chaleur radiogénique de la croûte ;
  • utiliser le flux géothermique comme indicateur du contexte géodynamique.

1. Rappels : mesurer la chaleur qui sort de la Terre

1.1 Définition et calcul

Le flux géothermique (ou flux de chaleur) q est la quantité de chaleur qui traverse la surface terrestre par unité de surface et de temps. Il s'exprime en mW/m². Il se calcule par la loi de Fourier (leçon 132) :

q = k × (ΔT / Δz)

avec k la conductivité thermique de la roche (W·m⁻¹·K⁻¹) et ΔT/Δz le gradient géothermique (°C/km, ou K/m), mesuré dans des forages sur le continent ou par des sondes enfoncées dans les sédiments au fond des océans.

1.2 Ordres de grandeur

Domaine Flux moyen (ordre de grandeur)
Moyenne du globe ≈ 85–90 mW/m²
Domaines océaniques (moyenne) ≈ 100 mW/m²
Domaines continentaux (moyenne) ≈ 65 mW/m²
Axe des dorsales Plusieurs centaines de mW/m²
Boucliers précambriens (cratons) ≈ 40 mW/m²

Au total, la Terre perd environ 45 TW, dont la plus grande part à travers les océans.

1.3 L'origine de la chaleur

Deux sources, de poids comparables à l'échelle du globe :

  • la chaleur radiogénique, produite par la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium-40 ; ces éléments sont fortement concentrés dans la croûte continentale, surtout dans les roches granitiques ;
  • la chaleur primitive, héritée de l'accrétion et de la différenciation de la Terre (leçon 131), qui s'évacue lentement : la Terre se refroidit.

2. Comment la chaleur traverse la Terre

Mode Principe Où domine-t-il ?
Conduction Transmission de proche en proche sans déplacement de matière ; lente Lithosphère (rigide)
Convection Transport de chaleur par des mouvements de matière provoqués par des différences de densité ; efficace Manteau sous la lithosphère (asthénosphère et manteau profond), noyau externe
Advection Transport de chaleur par un fluide qui se déplace (magma, eau) Dorsales (circulation hydrothermale), volcans, intrusions

3. Le principe unificateur : flux et épaisseur de la lithosphère

Si la chaleur traverse la lithosphère par conduction entre une base à ≈ 1300 °C et une surface à ≈ 0 °C, le gradient moyen vaut ≈ 1300 / L, où L est l'épaisseur de la lithosphère. En première approximation, pour une lithosphère sans production interne de chaleur :

q ≈ k × 1300 / L

Exemple — Avec k ≈ 3 W·m⁻¹·K⁻¹ :

  • L = 100 km : q ≈ 3 × 1300 / 100 000 ≈ 0,039 W/m² ≈ 40 mW/m² ;
  • L = 10 km : q ≈ 390 mW/m².
Image 1 — en préparation
Description

Carte du monde scientifique pédagogique de style manuel scolaire, projection de Robinson, illustration vectorielle plate, représentant le flux géothermique en surface par une échelle de couleurs continue du bleu (≈ 30–40 mW/m²) au rouge (> 200 mW/m²), légendée en mW/m². On doit voir : des bandes rouges étroites et continues le long des dorsales océaniques (médio-atlantique, indienne, Pacifique Est), les couleurs passant progressivement au jaune puis au vert et au bleu de part et d'autre en s'éloignant des axes ; des zones rouges ou orangées sur le rift est-africain, l'ouest des États-Unis et les arcs volcaniques du Pacifique ouest ; des zones bleues sur les boucliers anciens (Canada, Afrique de l'Ouest, Scandinavie, Australie occidentale, Sibérie). Limites de plaques en traits noirs fins. Fond blanc, annotations en français

4. Le flux dans le domaine océanique

4.1 La décroissance avec l'âge

À l'axe d'une dorsale, le manteau chaud est très proche de la surface : le flux est maximal. En s'éloignant de l'axe, la lithosphère s'épaissit en se refroidissant (leçon 161) : le flux décroît. Le modèle de refroidissement prévoit une décroissance proportionnelle à l'inverse de la racine carrée de l'âge :

q (mW/m²) ≈ 500 / √t (t en Ma)

Exemple — Plancher de 25 Ma : q ≈ 500 / 5 = 100 mW/m² ; plancher de 100 Ma : q ≈ 500 / 10 = 50 mW/m².

Trois grandeurs sont ainsi liées par le seul vieillissement thermique de la lithosphère océanique : l'épaisseur augmente comme √t, la profondeur du plancher augmente comme √t, et le flux diminue comme 1/√t.

Image 2 — en préparation
Description

Graphique scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate. Axe horizontal : âge du plancher océanique de 0 à 150 Ma ; axe vertical : flux géothermique de 0 à 400 mW/m². Une courbe continue rouge décroissante, très élevée près de 0 Ma puis s'aplatissant, légendée « flux théorique (refroidissement conductif, ∝ 1/√t) ». Des points noirs représentant des mesures : pour les âges supérieurs à ≈ 65 Ma, ils se placent sur la courbe ; pour les âges inférieurs, ils sont nettement en dessous de la courbe et très dispersés. La zone entre la courbe et les points jeunes est hachurée en bleu et légendée « chaleur évacuée par la circulation hydrothermale ». En encart, un petit schéma de dorsale montrant de l'eau de mer (flèches bleues) descendant dans la croûte fissurée, se réchauffant au contact de la chambre magmatique et ressortant par une cheminée sombre légendée « fumeur noir ». Fond blanc, annotations en français

4.2 L'écart près des dorsales : la circulation hydrothermale

Sur un plancher jeune (moins de ≈ 60–65 Ma), les flux mesurés sont souvent inférieurs au flux théorique et très dispersés. Ce n'est pas que la lithosphère perde moins de chaleur, mais qu'une partie de la chaleur ne passe pas par conduction :

  1. l'eau de mer s'infiltre dans la croûte jeune, fissurée et encore peu recouverte de sédiments ;
  2. elle se réchauffe au contact des roches chaudes, parfois au voisinage de la chambre magmatique ;
  3. elle remonte et ressort sur le fond, jusqu'à ≈ 350 °C dans les fumeurs noirs, emportant la chaleur par advection.

Or les sondes ne mesurent que la chaleur transmise par conduction. Avec l'âge, la couverture sédimentaire imperméable s'épaissit et les fissures se colmatent : la circulation cesse, et les mesures rejoignent la courbe théorique.

5. Le flux dans les zones de subduction

Image 3 — en préparation
Description

Planche scientifique pédagogique de style manuel scolaire, illustration vectorielle plate, en deux parties alignées sur le même axe horizontal (distance à la fosse, de −100 à 500 km). En haut : graphique du flux géothermique (0 à 150 mW/m²) montrant une courbe noire basse (≈ 30–40 mW/m²) au niveau de la fosse et de l'avant-arc, remontant brusquement à ≈ 80–120 mW/m² au droit de l'arc volcanique et restant élevée en arrière de l'arc ; zones légendées « fosse », « avant-arc : flux faible », « arc volcanique : flux fort », « arrière-arc ». En bas : coupe de la zone de subduction correspondante, lithosphère océanique gris-bleu plongeant sous une plaque chevauchante, avec des isothermes courbes (300, 600, 900, 1200 °C) en traits orange qui sont fortement enfoncées vers le bas le long du panneau plongeant (qui refroidit son environnement) et qui remontent sous l'arc, où une zone rouge de magma alimente des volcans en surface. Fond blanc, annotations en français

Une zone de subduction présente un profil de flux dissymétrique caractéristique :

Zone Flux Explication
Fosse et avant-arc Faible (≈ 30–40 mW/m²) La lithosphère océanique plongeante, froide, refroidit la région située au-dessus d'elle : les isothermes sont enfoncées
Arc volcanique Fort Montée de magmas produits au-dessus du panneau plongeant : transfert de chaleur par advection (leçon 169)
Arrière-arc Souvent fort Lithosphère amincie, parfois en extension (bassins arrière-arc)

6. Le flux dans les domaines continentaux

6.1 Le rôle de la croûte radiogénique

Dans un continent, le flux de surface a deux composantes : une part venant du manteau à travers la base de la croûte, et une part produite dans la croûte elle-même par la radioactivité (U, Th, K), concentrée dans la croûte supérieure granitique. Deux régions à lithosphère d'épaisseur comparable peuvent ainsi avoir des flux différents selon la richesse de leur croûte en éléments radioactifs.

6.2 Les principales situations

Contexte Flux Explication
Cratons (boucliers précambriens) Faible (≈ 40 mW/m²) Lithosphère très épaisse et froide ; croûte appauvrie en éléments radioactifs en surface par une longue érosion
Rifts continentaux Fort Lithosphère amincie, remontée de l'asthénosphère, magmatisme
Chaînes de collision récentes Souvent élevé et variable Croûte épaissie, donc riche en éléments radioactifs, qui se réchauffe ; remontée rapide des roches profondes chaudes lors de l'érosion et de l'exhumation
Points chauds Modérément élevé Remontée d'un panache sous la lithosphère (leçon 170)

6.3 Un lien avec la fusion crustale dans les chaînes de collision

L'épaississement de la croûte lors d'une collision a deux conséquences thermiques qui peuvent conduire à sa fusion partielle (anatexie) :

  • le réchauffement progressif de la croûte épaissie, riche en éléments radioactifs, à profondeur à peu près constante (réchauffement quasi isobare) ;
  • la décompression rapide des roches chaudes lorsque la chaîne s'amincit ou s'érode (remontée quasi adiabatique, c'est-à-dire presque sans perte de chaleur).

Ces deux voies seront exploitées sur des diagrammes pression–température dans les leçons consacrées au magmatisme de convergence et au métamorphisme.

7. Le flux géothermique, indicateur du contexte géodynamique

Contexte Flux Mode de transfert dominant Lien avec la lithosphère
Dorsale Très fort, décroissant avec l'âge Conduction + advection hydrothermale et magmatique Création, lithosphère très mince
Plancher océanique ancien Faible Conduction Lithosphère épaisse et froide
Fosse de subduction / avant-arc Faible Conduction perturbée par le panneau froid Destruction de lithosphère froide
Arc volcanique Fort Advection magmatique Magmatisme de subduction
Rift continental Fort Conduction + advection magmatique Amincissement
Chaîne de collision récente Élevé, variable Conduction + production radiogénique Épaississement crustal
Craton Faible Conduction Lithosphère épaisse et ancienne

8. Erreurs fréquentes et pièges d'examen

Erreur Correction
« Flux et gradient géothermique sont la même grandeur » q = k × gradient : à flux égal, le gradient dépend de la conductivité de la roche
« Le flux est fort partout dans une zone de subduction » Il est faible à la fosse et dans l'avant-arc, fort sous l'arc volcanique
« Un flux mesuré faible près d'une dorsale indique une lithosphère froide » Il traduit une perte de chaleur par circulation hydrothermale non mesurée par les sondes
« Le flux océanique est constant » Il décroît avec l'âge du plancher, comme 1/√t
« Les continents ont un flux plus faible parce qu'ils produisent moins de chaleur » La croûte continentale est au contraire la plus riche en éléments radioactifs ; le flux continental moyen est plus faible parce que la lithosphère continentale est épaisse
« Les cratons ont un flux faible car ils sont loin du manteau » Leur lithosphère est épaisse et froide et leur croûte superficielle appauvrie en éléments radioactifs
« La chaleur traverse toute la Terre par conduction » La conduction domine dans la lithosphère ; la convection domine dans le manteau et le noyau externe

9. Bilan

  • Le flux géothermique (mW/m²) vaut q = k × gradient ; moyenne ≈ 85–90 mW/m² (océans ≈ 100, continents ≈ 65) ; la Terre perd ≈ 45 TW.
  • Sources : chaleur radiogénique (U, Th, K, concentrés dans la croûte continentale) et chaleur primitive.
  • Trois modes de transfert : conduction (lithosphère), convection (manteau, noyau externe), advection (magmas, fluides).
  • Principe unificateur : q ≈ k × 1300 / L — le flux est inversement lié à l'épaisseur de la lithosphère.
  • Océans : flux maximal à l'axe des dorsales, décroissant comme 1/√t ; déficit mesuré sur le plancher jeune dû à la circulation hydrothermale.
  • Subductions : flux faible à la fosse et dans l'avant-arc (panneau froid), flux fort sous l'arc (magmatisme).
  • Continents : cratons froids, rifts et chaînes récentes chauds ; le flux diminue avec l'âge du dernier événement tectono-thermique ; l'épaississement crustal peut conduire à l'anatexie par réchauffement isobare ou par décompression.
  • Le flux géothermique, avec la sismicité, est une signature physique des contextes géodynamiques.

Leçon suivante

Pétrographie magmatique : magma primaire et propriétés des magmas — Le flux géothermique a montré où la chaleur interne s'évacue le plus ; la leçon suivante, qui ouvre le magmatisme, étudie comment et où cette chaleur conduit à la fusion partielle du manteau, et quelles sont les propriétés des magmas ainsi produits.