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Les cycles du Carbone et de l'Oxygène, leurs variations et leurs influences sur la composition de l'atmosphère, depuis -4,5 GA jusqu'au début du Quaternaire

Retranscription  d'une conférence de Pierre THOMAS (ENS Lyon) à Marseille en septembre 2000

 

Sommaire de la conférence 

  1. La vision « presque exclusivement biologique » du cycle du carbone (exemple de ce qu’il ne faudrait plus faire !)

  2. Le cycle CO2/HCO3-/CO32-

    • Précipitation et dissolution des carbonates

    • Altération des silicates

    • Métamorphisme, subduction et volcanisme 

Photosynthèse et respiration

d’où vient le million de Gt d’O2 de l’atmosphère ?

    • Les variations anté-Quaternaires (et les variations climatiques associées)
    • Les relations entre variations d’O2 / variations de CO2

 

On va expliciter les échanges entre les réservoirs

Le premier échange c’est l’échange entre l’atmosphère et l’océan.

Il y a du gaz carbonique dans l’atmosphère, il y a du gaz carbonique dissous dans l’océan et ça s’échange à peu près 100 millions de Gt/an.

Globalement le gaz carbonique se dissout dans l’eau quand il fait froid et donc passage océan atmosphère dans les zones froides et il ressort pour aller dans l’atmosphère dans les zones chaudes.

Remarque sur ce cycle : il y a des gens qui sont contre le nucléaire et un des arguments contre le nucléaire ce sont les déchets qu’on lègue aux générations futures.

Vis-à-vis du  gaz carbonique on fait une chose pareille. En ce moment on produit du gaz carbonique parce que on brûle du carbone.

Évolution du CO2 atmosphérique entre 1980 et 1999 

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L' O2 ne peut donc exister libre dans l'atmosphère que dans la proportion 32/12 par rapport au carbone de la biomasse.

La biomasse totale (sol + forêt + plancton + animaux + bactéries + ….) contient 3000 Gt de Carbone

L'atmosphère ne devrait contenir que :

3000 x 32/12 = 8000 Gt d'O2

Or il en contient 1 000 000 Gt

D'où viennent les 1 000 000 - 8000 = 992 000 Gt d'O2 restant ?

d'où vient le million de Gt d' O2  de l'atmosphère ?

D'où vient le million de Gt d' O2  de l'atmosphère ?

D’où vient l'O2  que nous respirons ?

De la photosynthèse ancienne, quand (et seulement quand) elle a été suivie d'une fossilisation et d'une sédimentation de matière organique.

A chaque fois qu'il se fossilisait 12 g de C organique, les 32g d' O2 (sous-produit de la photosynthèse qui a fait ces 12 g) ne sont pas réutilisés par respiration et décomposition, et ils s'accumulent dans l'atmosphère.

 

Aujourd’hui, nous respirons de l’oxygène qui a été fait au cours des âges géologiques par l’accumulation de roches carbonées. s’il n’y avait pas eu des pièges sédimentaires pour accumuler les roches carbonées il n’y aurait que 8000 Gt d’oxygène dans l’atmosphère pour respirer.

Donc l’oxygène de l’atmosphère c’est la vie certes, mais c’est la vie + la géologie qui a fossilisé, s’il n’y avait pas eu de pièges sédimentaires, la vie n’aurait pas fait d’oxygène (cycle pensé par les biologistes).

Les roches carbonées s’altèrent aussi. quand une marne noire arrive en surface, à cause de l’érosion par exemple, elle s’oxyde et l’oxydation des marnes noires, ça prend de l’oxygène et ça refait du CO2. Donc ce stock tourne aussi, il tourne lentement , il faut 200 millions d’années.

Les 10 à 20 millions de Gt de « carbone réduit » des roches sédimentaires ont comme contre partie :

10 à 20 millions . 32/12, soit 26 à 52 millions de Gt d'O2 (arrondissons à 40 millions de Gt d'O2) 40 millions de Gt qui devraient se trouver dans l’atmosphère.

On n’en a qu'1 million de Gt.

Le reste (environ 40 millions de Gt) a oxydé du soufre et du fer, et se retrouve maintenant sous forme de SO4-- (gypse), de Fe2O3…

 

Une grosse partie de l’ O2 qui a été produite au cours des temps géologiques a servi à oxyder des corps réducteurs ex les sulfures en sulfates, le fer (Fe2+ en Fe3+). Et si on fait les bilans de masse, ça colle à peu près. Si on n’avait pas eu les sulfates... on aurait une atmosphère hyper oxygénée et on aurait un métabolisme terrible. Donc vous voyez ce cycle est assez complexe. Grâce aux oxydes de fer et de soufre on a une atmosphère telle quelle est maintenant. Un cycle du carbone où il n’y aurait pas de gypse (principal réservoir d’oxyde de soufre) serait déséquilibré. C&rsqursquo;est epsilon, donc on pourrait le négliger. C’est vrai pour les années récentes, mais si vous faites un cycle du carbone au précambrien, ou on précipite les oxydes de fer rubanés en grande quantité, on ne peut pas le négliger, maintenant on peut presque le négliger.

Les variations géologiques de l’ O2 atmosphérique

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A la fin du Dévonien, la vie sort de l’eau grâce entre autre à la lignine, qui permet la fabrication de tissu de soutien, (tiges, racines ..) avant la vie végétale formait de la cellulose déjà pas facile à digérer (escargots, bactéries ..) mais alors la lignine, c’est bien pire, en particulier il n’y a aucune bactérie, aucun animal qui digère la lignine. Au Dévonien, les végétaux ont inventé la lignine et pendant 50 millions d’années elle a été fabriquée mais elle n’a pas été oxydée, si bien que les sols sont devenus extrêmement épais, les arbres mourraient, seule le cellulose pourrissait et donc de la matière organique était conservée, de l’O2 s’est accumulé  jusqu'à la fin du Permien c'est-à-dire jusqu'à l’apparition des champignons supérieurs Ascomycètes et Basidiomycètes qui "adorent" la lignine. On est alors redescendu à des valeurs raisonnables. Au Carbonifère, les arbres étaient imputrescibles et donc formaient des charbons, il ne faut pas de circonstances exceptionnelles. Au Crétacé, pour le charbon d’Aix en Provence il a fallu des circonstances exceptionnelles.

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 A la fin du Dévonien, la vie sort de l’eau grâce entre autre à la lignine, qui permet la fabrication de tissu de soutien, (tiges, racines ..) avant la vie végétale formait de la cellulose déjà pas facile à digérer (escargots, bactéries ..) mais alors la lignine, c’est bien pire, en particulier il n’y a aucune bactérie, aucun animal qui digère la lignine. Au Dévonien, les végétaux ont inventé la lignine et pendant 50 millions d’années elle a été fabriquée mais elle n’a pas été oxydée, si bien que les sols sont devenus extrêmement épais, les arbres mourraient, seule le cellulose pourrissait et donc de la matière organique était conservée, de l’O2 s’est accumulé  jusqu'à la fin du Permien c'est-à-dire jusqu'à l’apparition des champignons supérieurs Ascomycètes et Basidiomycètes qui "adorent" la lignine. On est alors redescendu à des valeurs raisonnables. Au Carbonifère, les arbres étaient imputrescibles et donc formaient des charbons, il ne faut pas de circonstances exceptionnelles. Au Crétacé, pour le charbon d’Aix en Provence il a fallu des circonstances exceptionnelles.

Les variations du CO2 atmosphérique

  Les variations anté-Quaternaires (et les variations climatiques associées)

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Tout le monde connaît les variations historiques et variations Quaternaire récent depuis 400 000 ans .

 

Que se passe –t-il avant ?

 

A l’échelle du paléozoïque et du précambrien, le CO2 oscille entre 0,5 et 20,20 étant la teneur actuelle.

 

Pourquoi il oscille et comment fait-on pour le mesurer ?

 

Une méthode très belle, l’indice somatique, qui marche jusqu’au Carbonifère compris. Dans  une serre on peut démontrer expérimentalement pour une plante donnée que plus il y a de CO2 dans l’atmosphère moins il y a de stomates et moins il y a de CO2 et plus il y a de  stomates. Donc si on trouve des fossiles de plantes identiques au plantes actuelles  il suffit de compter les stomates par cm2 et on remontera à la pression de CO2 de l’atmosphère. Et en prenant une plante actuelle qui existait au crétacé, on a l’atmosphère jusqu’au Crétacé. on prend une plante depuis le Permien jusqu’au Tertiaire et qui chevauche la première et de proche en proche  on peut remonter ainsi jusqu’au Crétacé.

 

Ca a des applications climatiques.

 

Comment mesure-t-on le CO2 « anté-glaciaire » ?

Très difficilement, d'où de grandes incertitudes

  • A partir du Jurassique : bulles d'air piégées dans de l’ambre.

  • Depuis le Carbonifère :  indice stomatique.

  • Depuis 600 MA : bilans sédimentologiques et géochimiques

  • Avant 600 MA : effet du soleil. Les astronomes nous indiquent la constante solaire de l'époque, et, connaissant la température de l'époque, on modélise l’effet de serre, donc la teneur en CO2.

  • A l'origine de la Terre : rapport H2O/C des chondrites, et transformation en CO2 de tout le carbone mondial.

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 Il y a des époques où le CO2 est haut et d’autres où il est bas. Les variations de CO2 sont couplées avec des variation de température. Tout le monde dit qu’actuellement on est en période chaude, interglaciaire, en fait on est en en période glaciaire, il reste des glaciers. Il faut bien séparer les variations à court terme et les variations à long  terme.

 

 

 
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document de 1979 (avant les carottes glaciaires ) = grandes oscillations. C’est ce qui donne la température mondiale. Par des argument géologiques, des coraux, du gypse….   on peut corréler cela avec la courbe de CO2, les petites oscillations ont été effacées, car on travaille à l’échelle de 600 000 000 d’années. Donc actuellement on est dans une période froide avec un CO2 décroissant, les autres périodes froides sont surtout au Carbonifère avec l’énorme glaciation du Permocarbonifère, une  petite glaciation à l’Ordovicien et  la grande glaciation précambrienne terminale et si on regarde le CO2 en même temps 3 fois sur 4 quand il y a une glaciation, le CO2 est bas et quand il fait chaud le CO2 est haut avec une exception, c’est cette petite glaciation Ordovicienne et qui ne correspond pas à une chute de CO2, d’après les données très incertaines qu’on a . Pourquoi le CO2 a baissé, là c’est l’Himalaya, là c’est la chaîne hercynienne, chaîne panafricaine, et là la lignine a poussé et les champignons n’existaient pas = orogenèse + champignons.

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  On remonte plus loin le CO2 depuis 4, 5 milliards d’années (échelle logarithmique) il est passé de 100 000 fois la teneur actuelle à la teneur actuelle, dans une fourchette d’incertitude énorme.

 

 
 

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 Au Carbonifère beaucoup d’O2 à cause de la lignine et ça correspond à un minimum de CO2, d’abord parce que la lignine ça fait du CO2 en moins et la chaîne hercynienne. Donc, c’est logique. Mais au crétacé  il y a beaucoup d’O2 et beaucoup de CO2 , donc pas de relation directe. Au crétacé supérieur, les dorsales marchent comme des folles, la dynamique interne s’emballe, les dorsales gonflent, un volcanisme énorme, le CO2 monte. Les dorsales prenant beaucoup plus de place, la mer déborde, il y a une transgression généralisée et plein de plaines deviennent bassins sédimentaires. Ce sont d’excellents pièges à matières organiques, d’où l’augmentation d’O2. L’une de ces augmentations a une cause géologique, l’autre biologique.

 

Conclusion rigolote mais sérieuse quand même.

 

Quelle va être la fin de la vie sur Terre ?

 

La fin de la Terre c’est lorsque le soleil va exploser dans 5 milliards d’années, la fin de la vie ça va être avant .

 LA FIN DE LA VIE SUR TERRE

Le soleil va continuer à voir son activité et sa puissance rayonnée augmenter (astronomes dixit)

  Deux solutions :

 L’augmentation de l’activité solaire est compensée par une diminution de l’effet de serre due à la précipitation des carbonates qui pompent le CO2 (comme depuis 4 GA)

Température constante, mais CO2 tellement bas que la photosynthèse devient impossible (la faible teneur en CO2 est actuellement le facteur limitant*)

La précipitation des calcaires n’absorbe pas assez de CO2 et l’effet de serre ne diminue pas assez. La température augmente, et la vie usuelle telle que nous la connaissons devient impossible**.

Dans les deux cas c’est la fin de la vie.

* depuis quelques dizaines de milliers d’années, la vie a « inventé » la photosynthèse en C4, nettement plus efficace

** Les bactéries hyper thermophiles nous montrent qu’il ne faut pas désespérer.

Voir un résumé de la conférence de Pierre Thomas

 

C’est dû à l’altération qui a libéré du calcium ce qui a permis de piéger de plus en plus de gaz carbonique.

Les relations entre variations d’ O2 / variations de CO2

Conclusion sérieuse : on va comparer l’évolution du CO2 et du O2 en fonction du temps, on s’intéresse aux 2 derniers maximums d'oxygène, au Carbonifère et Crétacé supérieur.

Depuis 600 000 ans, des fois il fait chaud, des fois il fait froid, ça oscille de plus ou moins 10° C avec une période d’à peu près 100 000 ans (Milankovich) mais ces toutes petites variations ne doivent pas être confondues avec les très grandes variations, il y a des époques comme maintenant et c’est vrai depuis le Miocène où il y a des glaciers donc actuellement on est dans une ère glaciaire, on est une époque interglaciaire au sein d’une ère glaciaire, mais avant Éocène, Crétacé , Trias pas de glacier nulle part, c’était une ère interglaciaire, il faisait plus beaucoup chaud que maintenant, il y avait des arbres au pôle. Au Carbonifère il refait froid, il y a de nouveau des glaciers alors peut être qu’ils oscillaient mais on n'a pas la précision pour le savoir, puis il y a une autre ère interglaciaire à l’Ordovicien, puis il y a une autre ère glaciaire, la plus grande de toute au Précambrien ancien. Donc ne pas confondre ces petites oscillations à l’échelle de centaines de milliers d’années avec les grandes oscillations à l’échelle de centaines de millions d’années. Si vous regardez les époques où il fait froid et où il fait chaud dans le monde.

 

Supprimons la production de CO2 par l’homme en tournant le transparent .

Quand la photosynthèse l’emporte à l’échelle mondiale printemps été dans l’hémisphère nord vu la répartition des continents, le CO2 diminue et automne hiver quand  la respiration l’emporte, le CO2 augmente .

Cela représente l’importance relative respiration/photosynthèse et comme  l’hémisphère nord l’emporte à cause de la végétation terrestre qui l’emporte sur la  végétation marine et qu’il y a beaucoup plus de forêts dans l’hémisphère nord que dans l’hémisphère sud vous avez cette courbe horizontale mais avec des dents de scie. La montée c’est l’effet anthropique.

Puisque l’O2 ne s’accumule pas, quelle quantité d’O2 devrait-on avoir dans l’atmosphère ?

Tout simplement l’équivalence stœchiométrique de la biomasse.

Actuellement, chaque fois que vous avez 12 g de carbone stocké dans un arbre vous avez libéré 32g d'O2 . Quand l’arbre est mort il les récupère. Il suffit de faire le bilan de la biomasse vivante et l’oxygène devrait être dans les proportions stœchiométriques de 32/12 par rapport à la quantité de carbone dans la biomasse.