litho_point6

La lithosphère , réservoir de Carbone

  Le cycle du carbone dans la lithosphère

  La lithosphère constitue le réservoir de carbone le plus grand, il y est présent sous forme organique ( comme la houille, la lignite, la tourbe et les hydrocarbures ) et surtout sous forme inorganique (carbonate de calcium) tel que le calcaire. 
  Cet énorme réservoir de carbone réalise des échanges avec les autres réservoirs que sont l'atmosphère où le carbone est présent sous forme de gaz CO2, l'océan,  le sol  où le carbone est présent sous forme de molécules complexes. Ces échanges sont très lents c'est pourquoi le réservoir biomasse, n'apparaît pas, ce n'est pas une négligence mais à l'échelle de temps à laquelle nous travaillons, le réservoir biomasse n'est qu'un réservoir transitoire et éphémère.

 A. Les réservoirs et les flux dans le cycle biochimique global du carbone      

Étudier un cycle, c'est déterminer les différents réservoirs et surtout évaluer les échanges de matière qui existent entre ces différents réservoirs.

  Les différents réservoirs

 B La nature des échanges entre réservoirs

L'altération chimique des continents

Illustration  J. Gaillardet et B. Dupré revue du palais de la découverte - mars 2001 p 15

Rôle du dioxyde de carbone
  L'altération des roches met en jeu essentiellement deux agents :

• • l’eau
  • et le gaz carbonique.

  L'eau des sols est très enrichie en CO₂ dissous, donc en acide carbonique, qui va réagir avec les différents cations présents dans les minéraux.
  Cette altération par l' acide carbonique est renforcé par les acides organiques des sols. Cependant si les acides organiques participent effectivement à ce processus, il n’interviennent pas dans le bilan final.

Quelques exemples d'altération :Altération des silicates, cette altération peut-être représentée par la réaction suivante :

2 CO₂ + 3 H₂O + CaSiO₃  ®  2 HCO₃^- + Ca²⁺ + H₄SiO₄

Bilan : il ressort du réservoir silicates "CaSiO₃ "  autant de carbone 2 moles de C (HCO₃^-) qu'il n’en rentre 2 moles de C sous forme (CO₂).

• Altération des alumino-silicates

 Les alumino-silicates sont surtout représentés par les feldspaths (feldspaths potassiques et plagioclases). Cette altération conduit cette fois à la formation de minéraux nouveaux des argiles dites néoformées.

Ci-dessous un exemple-type dans le cas d'un plagioclase sodique (l'albite) :

Bilan : on retrouve le même bilan que pour les silicates : 2 moles de C (sous forme CO₂) donnent 2 moles de C (sous forme HCO₃^-).

A basse température ces réactions sont irréversibles.

L’exemple de l’Himalaya.  D'après P. Thomas (ENS Lyon)

Altération des carbonates

L'altération de la calcite conduit à la réaction globale :

CO₂ + H₂O + CaCO₃ ® 2 HCO₃^- + Ca²⁺

L'altération de la dolomite est identique:

2 CO₂ + 3 H₂O + CaMg(CO₃)₂ ® 4 HCO₃^- + Ca²⁺ + Mg²⁺

Bilan : il ressort 2 fois plus de moles de C qu'il n'en entre dans le réservoir des carbonates par l'atmosphère.

 Bilan de l'altération :
Si on additionne l'effet de l'altération des silicates et celles des carbonates :

(2 CO₂ + 3 H₂O + CaSiO₃ ® 2 HCO₃^- + Ca²⁺ + H₄SiO₄)
    et (   CO₂ +    H₂O + CaCO₃  &rreg; 2 HCO₃^- + Ca²⁺),

L'altération des roches carbonatées et silicatées se traduit donc par une consommation de dioxyde de carbone de l'atmosphère et une libération d'ions, Ca2+, HCO3- ...qui vont aboutir à l'océan.

 Une estimation de ces échanges montre qu'il ressort des réservoirs de carbonates et de silicates 0.432 Gt de C an-1 d’après Lasaga et al 1985 (sous forme de bicarbonate), dont les 2/3 ont été pris au stock de gaz carbonique des sols, donc pris au stock de dioxyde de carbone atmosphérique.

d'après  J. Gaillardet et B. Dupré revue du palais de   la découverte - mars 2001 p 15

  Les facteurs de l’altération

Les scientifiques ont pour étudier ce phénomène deux démarches :

 Une démarche expérimentale qui montre que l’altération est favorisée par des températures croissantes, mais que d’autres paramètres apparaissent importants :

• La quantité d’eau
• L’état de saturation de la solution  en équilibre avec le minéral
  Une démarche d’observation sur le terrain qui a permis de calculer des vitesses d’altération, elle montre que ce phénomène est certainement plus complexe que ne semblait le dire les résultats expérimentaux (un grand nombre de paramètres est susceptible  d’influencer l’altération des roches ).
• La nature de la roche, un basalte par exemple (riche en silicate de Ca et Mg) s’altère en moyenne 10 à 100 fois plus qu’un granite. Les « basaltes indiens » il y a 65 MA ont libéré des quantités importantes de CO2 mais ont en réalité abaissé la température moyenne de 0,4°C en quelques millions d’années par leur altération qui a pris du CO2 à l’atmosphère.
• La quantité d’eau : l’eau efficace qui traverse le bassin versant ce que les scientifiques nomment le runoff. Plus il y a d’eau dans les fleuves, plus le flux d’altération chimique et la  consommation de CO2  atmosphérique sont importants.
• La température, globalement l’altération chimique des silicates tend à augmenter avec la température ce que confirme la démarche expérimentale.
• La stabilité des sols qui elle même  dépend de l’érosion mécanique. L’intensité de cette érosion est estimée grâce à la quantité de sédiments en suspension transportés par les rivières.

 La précipitation des carbonates

La forme dissoute hydrogénocarbonate HCO3^- peut être éliminé des eaux de deux façons :

(CO₂ (gaz) + H₂O ® H₂ CO₃ ) + (H₂ CO₃ ® H⁺ + HCO₃^-) donnent  HCO₃^- + H⁺ ®  CO₂ + H₂O

 Dans la nature, la précipitation du carbonate de calcium (CaCO3) à partir des ions carbonates de l'eau est essentiellement sous le contrôle des organismes vivants, elle peut se résumer à la réaction classique :

2 HCO₃^- + Ca²⁺ ® CO₂ + H₂O + CaCO₃)

  Remarque selon les facteurs physico-chimique du milieu le carbonate de calcium  peut cristalliser sous deux formes:

• la calcite
• et l'aragonite.

  Les roches sédimentaires carbonatées (calcaires au sens large) sont ainsi formés par la précipitation de carbonate de calcium par les organismes vivants: soit sous forme de coquilles (coquille de moule par exemple, squelette externe des coraux tests des unicellulaires...), ou sous forme de précipités (algues calcaires encroûtantes ou bactéries encroûtantes...). On pense de plus en plus qu'il n'existe peu de calcaire de surface d'origine strictement chimique : même les stalactites et les stalagmites des grottes où gouttent des eaux riches en ions carbonate (sous forme soluble de bicarbonate de calcium) sont formées à l'aide de bactéries.

 Le volcanisme, et le métamorphisme

  L'ensemble des roches sédimentaires peuvent subir un échauffement dû par exemple à leur enfouissement et au métamorphisme.

• • En l'absence de silice, un calcaire se transformera simplement en marbre.
• En présence de silice et de calcaire, il se produira la réaction suivante : CaCO₃ + SiO2 ® CaSiO₃+ CO₂

Il s'ensuit la formation de divers silicates et une régénération du gaz carbonique, qui sera finalement rendu à l'atmosphère. En effet ce CO₂ ressort par le volcanisme, dans ce cas ce n'est pas du n’est un gaz juvénile, il provient soit des calcaires, soit de la matière organique par la subduction les calcaires ou de la matière organique.

 « Heureusement que ce phénomène existe car il n’y aurait plus de CO₂ depuis longtemps » P. Thomas.

 Des variations de ce phénomène peuvent entraîner des changement en CO₂ importants : une accélération du volcanisme par exemple au crétacé supérieur va augmenter le CO2 et faire augmenter la température. A l’inverse une reprise d’altération liée à une orogenèse va faire baisser le CO₂,

Illustration  J. Gaillardet et B. Dupré revue du palais de la découverte - mars 2001 p 18

   Les quantités sont données en 10¹²  mol/an.

  "Les flux A et B correspondent aux quantités de carbone inorganique apportées par les rivières à l'océan, issues respectivement de l'altération des silicates et des carbonates sur la terre ferme. Le flux C correspond au carbone organique transporté par les rivières. Ce flux est maximisé : une partie de ce Carbone organique est re-minéralisé dans certains estuaires, une partie de Carbone organique fossile qui affleure sur les continents est oxydé en CO₂ . Donc le flux net de Carbone organique enfoui dans les sédiments organiques diminue d'autant" .J. Gaillardet et B. Dupré

Formation des roches carbonées

Les charbons et les pétroles sont des roches d'origine biologiques, elles sont l'aboutissement d'un long processus de sédimentation  qui nécessite une succession de phases bien particulières. Les organismes vivants sont composés pour l'essentiel de molécules complexes contenant notamment  du carbone, à la  mort de ces organismes ces assemblages sont  détruits souvent minéralisés. Cependant dans certaines conditions une faible fraction de cette matière organique (moins de 1% ) sédimente, et se retrouve piégée dans des couches minérales en formation. Le processus de sédimentation est un processus permanent au fond des océans et des lacs, c'est un phénomène lent  mais qui est d'une importance capitale à l'échelle des temps dits "géologiques".

Des modèles

1.   Le Modèle de Walker (1981 )

  Ce modèle est basé sur l'hypothèse le phénomène de rétroaction :  si le taux de CO2 atmosphérique augmente, alors la Terre se réchauffe par élévation de l'effet de serre. Cette 'augmentation de la température favorise l'altération des roches. Altération des roches qui consomme du CO2 atmosphérique, il y a donc rétroaction, Il s'agit de la théorie d'une Terre thermo statée dite théorie de Walker.

Illustration  J. Gaillardet et B. Dupré revue du palais de la découverte - mars 2001 p 19

2. Le modèle de BLAG (Berner, Lasaga et Garrels 1983)

En 1983 Berner et Al  propose un modèle à 5 boites permettant de reconstituer les variations de la concentration de CO2 de l’atmosphère au cours des 100 derniers millions d’années. Ce modèle prend en compte :

-        L’altération chimique des continents

-        La précipitation des carbonates dans les océans

-        Le volcanisme, le métamorphisme et les échanges eau de mer/basalte par activité hydrothermale.

Le réservoir des roches sédimentaires est réduit aux seuls carbonates, il est lié à une interaction avec les roches sédimentaires siliceuses.  Le réservoir 'océan ne contient que l'hydrogénocarbonate HCO3-. Quant au réservoir de CO2 il comprend l'atmosphère mais aussi les sols.

 Dans ce modèle les flux d’altération chimique sont une fonction linéaire de la masse de chaque réservoir, de la surface des continents et du facteur f (CO2) qui intègre l’influence de la température et du drainage,  f(CO2) est une fonction logarithmique du rapport de la concentration  en CO2 dans l’atmosphère au temps.

Modèle BLAG du cycle géologique du carbone

  L' unité est 1015 g = 109 tonnes = 1 giga-tonne (Gt);  les échanges sont en Gt an-1.

3. Le modèle  de Raymo (1988)

Cette chercheuse américaine propose un autre modèle :  La formation de montagnes favorise l'érosion et augmente l'altération des silicates. La consommation de CO2 de l'air qui en résulte de cette altération entraîne par une baisse de l'effet de serre une baisse des températures. Des calottes de glace se forment aux pôles, les glaciers s'accroissent en montagne, l'érosion glacière stimule l'altération des roches. Le phénomène s'amplifie jusqu'à  ce que l'eau liquide n'existe plus à la surface de la Terre.

Illustration  J. Gaillardet et B. Dupré revue du palais de la découverte - mars 2001 p 19

4. Le modèle de Berner (1991)

En 1991 Berner propose un nouveau modèle similaire au BLAG mais en ajoutant :

• • Importance de la distribution spatiale des continents
  •  Élévation moyenne des continents
  • Expansion océanique
  • Condition de précipitation des carbonates
• Influence de la végétation sur les taux d’érosion chimique.

  Erosion et climat J. Gaillardet et B. Dupé Revue du palais de la découverte mars 2001 n°286
 
 
 

Equipe INRP de l'académie d'Orléans-Tours.

Contacter l'auteur :

Marie-José Broussaud