Pourquoi les sources chaudes sont-elles chaudes ?
― La Terre elle-même est une source de chaleur géante
Se baigner dans une source chaude réchauffe jusqu'au fond du corps. Ce n'est ni une gazinière ni un radiateur électrique qui chauffe cette eau. C'est la chaleur de la Terre elle-même, sous nos pieds. Ce fait qu'on oublie au quotidien — que l'intérieur de la Terre est brûlant — se révèle à nous, tout simplement, dans une source chaude.
Dans les brochures d'auberges thermales, on voit parfois l'indication « température de la source : XX °C ». Dans certains endroits, l'eau jaillit du sol en continu, si chaude qu'on ne pourrait pas s'y baigner telle quelle.
Qu'une eau aussi chaude jaillisse sans cesse, naturellement, sans combustible ni électricité, voilà qui est étrange quand on y réfléchit.
D'où vient donc cette chaleur ?
Plus on va profond, plus la température des roches et des couches géologiques augmente, peu à peu.
Quand l'eau infiltrée dans le sol capte cette chaleur en profondeur, puis remonte réchauffée à la surface, elle devient une source chaude.
Voyons, étape par étape, ce fait qu'on oublie trop souvent : la Terre elle-même est brûlante.
Plus on descend, plus l'intérieur de la Terre est chaud
Creuser un tunnel ou une mine profonde révèle que la température des roches augmente avec la profondeur. Ce taux d'augmentation de température avec la profondeur s'appelle le gradient géothermique.
Deux grandes raisons expliqueraient cette chaleur interne. D'abord, la chaleur reçue à la naissance de la Terre ne s'est toujours pas complètement dissipée. Ensuite, de infimes quantités de matières radioactives présentes dans les roches continuent de libérer de la chaleur en se désintégrant. On pense que la Terre, 4,6 milliards d'années après sa formation, est encore chauffée de l'intérieur.
Près des volcans, la source de chaleur est plus intense
Même en terrain ordinaire, la profondeur réchauffe, mais dans les zones volcaniques actives, la situation change du tout au tout. Une chambre magmatique — une poche de roche en fusion — peut se trouver relativement près de la surface. Le magma étant extrêmement chaud, il réchauffe les roches environnantes bien plus que la normale.
Le Japon, situé sur la ceinture de feu du Pacifique, est l'un des pays les plus riches en volcans et en sources chaudes au monde. L'abondance de sources chaudes à travers le Japon tient au grand nombre de volcans — sources de chaleur puissantes — proches de la surface.
C'est la « température corporelle » de la Terre, qu'elle entretient depuis sa naissance.
L'eau souterraine capte la chaleur et remonte à la surface
Une partie de l'eau de pluie ou de neige s'infiltre dans le sol et pénètre lentement, avec le temps, dans les roches fissurées et poreuses en profondeur. L'eau qui atteint ces grandes profondeurs capte la chaleur des roches chaudes ou d'une chambre magmatique voisine.
Réchauffée, l'eau devient moins dense, donc plus légère, et se met à remonter, poussée par l'eau froide environnante. Elle revient alors en surface en empruntant les fissures de la roche comme un passage. C'est la dernière étape de ce cycle souterrain, celle qui se manifeste à nos yeux sous forme de source chaude.
Ce que cet article décrit est le mécanisme le plus courant. En réalité, il existe aussi des sources chaudes non volcaniques, réchauffées uniquement par la profondeur, sans lien direct avec une activité volcanique. La composition, la température et le mode de jaillissement de l'eau varient beaucoup selon la géologie locale.
Une expérience à faire soi-même
- Rappelez-vous (ou recherchez) la « température de la source » indiquée pour une source chaude proche de chez vous, ou visitée en voyage
- Vérifiez sur une carte ou une documentation si cette région est proche d'un volcan
- Comparez plusieurs sources chaudes pour voir si celles proches d'un volcan ont tendance à avoir une température plus élevée
Plus une région est proche d'un volcan, plus la haute température est atteinte à faible profondeur, ce qui tend à faire monter la température de la source.
En résumé
Une source chaude est chaude parce que l'intérieur de la Terre devient plus chaud avec la profondeur. L'eau infiltrée dans le sol capte cette chaleur, devient plus légère, remonte et revient en surface. Dans les zones volcaniques actives en particulier, une chambre magmatique proche de la surface constitue une source de chaleur intense, favorisant l'apparition de sources chaudes plus chaudes.
Une source chaude n'est pas tant un cadeau de la Terre que sa propre température corporelle.
La preuve que, 4,6 milliards d'années plus tard, elle ne s'est toujours pas refroidie.
En revanche, près de la surface, c'est le Soleil, plus que la chaleur terrestre, qui domine. Ce sujet est développé dans Pourquoi l'eau des puits et des sources semble-t-elle froide en été et tiède en hiver ?
Pour aller plus loin ― termes, chiffres et liens avec les programmes scolairesDu collège aux sujets encore à l'étude, chaque niveau est précisé
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « sciences de la Terre » de base au lycée
- Lycée+Programme de spécialité au lycée, ou encadré/complément dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée ; matière spécialisée universitaire (géothermie)
- RechercheSujet encore à l'étude, non enseigné comme établi même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots des sources chaudes
- Gradient géothermique : taux d'augmentation de la température avec la profondeur.
- Chambre magmatique : poche de roche en fusion relativement proche de la surface.
- Matière radioactive : substance qui libère de l'énergie (chaleur) quand son noyau atomique se désintègre.
LycéeCalcul : à quelle profondeur l'eau souterraine atteint-elle quelle température ?
Utilisons le gradient géothermique pour calculer la température de l'eau souterraine à une profondeur donnée.
Température au fond = Température de surface + Gradient géothermique × Profondeur
| Température de surface | Prenons 15 °C, à titre d'exemple |
| Gradient géothermique | Valeur typique de référence : environ 30 °C par km |
| Profondeur | Unité : km |
Ces valeurs sont des ordres de grandeur pour une région moyenne, sans activité volcanique. En zone volcanique, le gradient peut être plusieurs fois plus élevé.
| Hausse de température à 1 km | 30 × 1 = 30 |
| Température à 1 km | 15 + 30 = 45 |
| Température à 1 km | environ 45 °C |
| Hausse de température à 2 km | 30 × 2 = 60 |
| Température à 2 km | 15 + 60 = 75 |
| Température à 2 km | environ 75 °C |
On voit que même un gradient géothermique moyen, sans influence volcanique, explique déjà les températures observées dans de nombreuses sources chaudes, pour un cycle souterrain de 1 à 2 km de profondeur. En zone volcanique, on atteindrait des températures comparables ou supérieures, à moindre profondeur.
※ Le gradient géothermique et la température de surface varient selon les régions ; ce calcul n'est qu'un ordre de grandeur représentatif. La température réelle de l'eau thermale dépend aussi d'autres facteurs, comme le trajet suivi jusqu'à la surface ou la structure géologique.
Lycée+Deux grandes sources de chaleur terrestre
L'origine de la chaleur interne de la Terre se divise généralement en deux : la « chaleur primordiale » et la « chaleur radiogénique ». La chaleur primordiale provient de l'énergie des impacts de planétésimaux et d'autres processus liés à la formation de la Terre. La chaleur radiogénique est produite en continu par la désintégration d'isotopes radioactifs comme l'uranium, le thorium ou le potassium, tout au long de l'histoire de la Terre. La part respective de chacune de ces deux sources fait l'objet d'estimations variables selon les études.
UniversitéLa notion de système hydrothermal
En sciences de la Terre, on appelle système hydrothermal l'ensemble formé par l'eau souterraine captant la chaleur d'une source thermique et revenant en surface au terme de son cycle. Dans un système hydrothermal, l'eau ne se contente pas de se réchauffer : elle dissout, en remontant, divers minéraux issus des roches environnantes, ce qui explique les différences de couleur, d'odeur et de propriétés d'une source chaude à l'autre.
RechercheCe qui reste à élucider
- La structure détaillée des systèmes hydrothermaux profonds en zone volcanique, et les trajets exacts empruntés par l'eau, sont difficiles à observer directement. Leur estimation repose encore sur des méthodes indirectes, combinant observations sismiques et magnétiques.
- Des recherches visent aussi à savoir si la surveillance des variations d'un système hydrothermal pourrait permettre de détecter précocement les signes précurseurs d'une éruption volcanique. On soupçonne que les variations de température et de composition des sources chaudes et des eaux souterraines pourraient être liées à l'activité volcanique, mais établir une méthode de prédiction fiable reste un défi.
- Des travaux de recherche et développement portent également sur des technologies permettant d'extraire artificiellement la chaleur souterraine pour produire de l'électricité, même hors zone volcanique (géothermie profonde, systèmes EGS, etc.). Cette approche injecte artificiellement de l'eau pour en extraire la chaleur, sans dépendre du cycle naturel de l'eau souterraine, mais des défis techniques restent à surmonter avant une exploitation à grande échelle.
Derrière la source chaude familière se cache un vaste sujet de recherche encore actif : la chaleur de l'intérieur de la Terre.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Évolution de la Terre | Vocabulaire de base : gradient géothermique, chambre magmatique |
| Lycée | Sciences de la Terre de base・Structure interne de la Terre | Calcul de la température de l'eau souterraine à partir du gradient géothermique |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・Bilan thermique terrestre | Répartition entre chaleur primordiale et chaleur radiogénique |
| Université | Géothermie・Géochimie | Fonctionnement des systèmes hydrothermaux et origine des composants des sources chaudes |
| Recherche | Volcanologie・Ingénierie géothermique (en cours) | Prédiction des éruptions par surveillance hydrothermale, géothermie profonde |
- Documents explicatifs de l'Agence météorologique du Japon (気象庁, Japan Meteorological Agency) sur « l'activité volcanique au Japon ».
- Explications sur les sources de chaleur interne de la Terre et le gradient géothermique dans les manuels de sciences de la Terre de base.
- Documents de vulgarisation du ministère japonais de l'Environnement (環境省, Ministry of the Environment) sur « la science des sources chaudes ».
- Explications sur le fonctionnement des systèmes hydrothermaux dans les manuels de géothermie.
- Revue de recherche sur la géothermie profonde (EGS) dans le domaine de l'ingénierie géothermique.
※ Les valeurs du gradient géothermique et de la température de surface sont des ordres de grandeur représentatifs et varient fortement selon les régions.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour tout ce qui concerne la composition, les bienfaits ou les précautions d'usage des sources chaudes, veuillez vous référer aux indications de chaque établissement thermal ou aux informations d'organismes publics comme le ministère de l'Environnement. Pour les informations les plus récentes sur l'activité volcanique, veuillez consulter les annonces de l'Agence météorologique du Japon.