Les éléments producteurs de chaleur ne sont pas répartis de façon homogène dans la croûte. La loi de Birch, relation linéaire entre le flux et la production de chaleur, étaye cette hypothèse. Des modèles théoriques de répartition discontinue, linéaire ou exponentielle, sont associés à la loi. Ils n'ont pu être vérifiés directement. Les mesures de la production de chaleur en sondage dans des granites peuvent servir à tester ces modèles.
Dans le sondage d'Échassières, la distribution de U, Th et K varie suivant les faciès rencontrés. Les teneurs en U sont relativement élevées (de 2.4 à 52.0 ppm) alors que les teneurs en Th sont très faibles (de 0.14 à 1.7 ppm) par rapport à la moyenne des teneurs des granites (respectivement 4 et 19 ppm). Dans la partie supérieure (de 110 à 480 m) la teneur en uranium croît légèrement (de 10 à 15 ppm) pour devenir ensuite constant à environ 15 ppm. Le thorium décroît nettement dans la partie la plus haute (de 1.7 à 0.9 ppm entre 110 et 160 m), puis plus lentement (jusqu'à 0.44 ppm à 480 m). Les teneurs en thorium sont également plus régulières dans la partie inférieure du forage. Dans le faciès supérieur (de 110 à 480 m) le potassium passe de 3.3 à 3.5 % en poids d'oxyde et reste constant à 3.8 % dans le faciès inférieur. La production de chaleur augmente avec la profondeur jusqu'à 480 m (de 3.6 à 4.2 ± .2 μ W/m3) puis est constante à 4.3 ± .4 μ W/m3.
Nous comparons ensuite ces mesures à celles de différents sondages dans le Wyoming (GM-1), l'Illinois (UPH-3), l'Ontario (ATK-1) et enfin le Massif central (AUR-1). Ces sondages n'ont aucun caractère commun dans leur mode de répartition de la production de chaleur. Les valeurs prédites par les lois de Birch respectives de chacune des provinces et celles observées ne permettent pas de conclure quant à la validité d'un modèle de distribution. Les mesures en forages intragranitiques ne sont donc pas pour l'instant représentatives de la distribution globale des éléments radiogéniques dans la croûte mais reflètent essentiellement la typologie d'origine des granites et les modalités de leur différenciation.
Mots-clés: Uranium, Thorium, Potassium, Granite, Sondage, Flux chaleur (Production chaleur), Allier (Échassières)
Geothermal studies commonly assume that heat production is non randomly distributed with depth in the earth crust. Surface heat flow and surface heat production present a linear correlation known as the Birch's law. Such a law may be modelized by several types of heat producing elements distribution with depth. Amongst them, a step, a linear or an exponential model are usually assumed though no factual data have yet demonstrated their validity. Intragranitic deep boreholes may be used to validate these assumptions.
We analysed the U, Th and K content in the Échassières deep (900 m) hole drilled within an Hercynian granite in the French Massif central and computed the heat production distribution with depth. Obviously, two modes of variation of the heat producing elements are encountered which depend upon the granite facies variation. In this peraluminous granite, the U content is high (from 2.4 to 52.0 ppm) while the Th content is quite low (from 0.14 to 1.7 ppm) compared to usual granitic values (respectively 4 and 19 ppm). The upper facies (110 to 480 m) presents a slight increase in U (from 10 to 15 ppm), a neat decrease (from 1.7 to 0.9 ppm at 160 m).followed by a moderate decrease in Th (down to 0.44 ppm at 480 m) and a low (from 3.3 to 3.5 %) decrease in K2O. In the lower facies (from 480 to 800 m), the U, Th and K contents are nearly constant (about 15 and 0.5 ppm, and 3.8 % respectively). The heat production increases with depth in the upper facies from 3.6 to 4.2 ± .2 μW /m3 and then is consant in the lower facies at 4.3 ± .4 μW /m3.
A comparison is attempted between various data on the heat production content within selected boreholes. Examples are scarce, but we describe four other sites from Wyoming (GM-1), Illinois (UPH-3), Ontario (ATK-1) and French Massif central (AUR-1). The five sites, including the present one (ECH-1), present different characteristics from which no clear trend can be sorted out. We also computed the theoretical heat production at depth as predicted from the depth parameter obtained from the heat flow/heat production-respective relationship. In.the four analyzed boreholes, no correspondance may be obtained between any crustal distribution model and the heat production measured at the bottom of the borehole. We therefore conclude that heat production distribution within batholiths cannot be used to provide constraints on the overall distribution model within the crust. A possible bias may be due to the shallow depth of present boreholes, but we suggest that the heat production values better reflect the granitic differentiation process than the crustal distribution of radiogenic elements with depth.
Dernière mise à jour le 24.01.2019