Pourquoi la mer est-elle salée ?

Pierre Thomas

ENS Lyon, Laboratoire de Sciences de la Terre

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

10/05/2001

Résumé

Origine du sel présent dans la mer.


Question

« On m'a demandé il y a quelques jours d'où venait le sel de mer. Une remise à jour à ce sujet ne serait pas inutile... En réalité, cette question en recouvre plusieurs : Pourquoi la mer est elle salée, pourquoi avec du NaCl et pas du K2SO4, pourquoi la salinité n'augmente-t-elle pas malgré les milliards de tonnes annuelles d'ions dissous que les fleuves amènent à la mer… ? »

Question posée par j.s. le 28 février 2001 par courrier électronique.

Réponse

(Voir aussi la réponse de Francis Albarède)

Les cations sont apportés à l'océan par les fleuves...

Considérons d'abord le cas des cations. La mer contient 10 g/L de Na, 1,2 g/L de Mg, et 0,4 g/L de Ca et de K. Les fleuves ont une concentration moyenne de 1 mg/L de chacun de ces 4 cations (ce qui fait que l'on peut dire que l'eau des fleuves est 1.000 fois moins concentrée que l'eau de mer).

Les fleuves amènent environ 2 milliards de tonnes/an de cations à la mer. Ces cations proviennent de l'altération des silicates contenant Na, Ca, Mg, K (plagioclase, feldspath potassique, mica et amphibole, pyroxène…).

Un rapide calcul (qui tient compte du volume de la mer, de sa concentration et de l'apport des fleuves) montre qu'en quelques dizaines de millions d'années pour le Na, et quelques millions d'années pour les autres cations, les fleuves amènent à la mer la totalité des cations qui s'y trouvent actuellement.

Comme les fleuves coulent depuis au moins 4 milliards d'années, la concentration de la mer devrait être énorme ! Si elle ne l'est pas, et si elle est constante au moins depuis le début du primaire (d'après des études sédimentologiques), c'est que l'apport des fleuves est compensé par un départ équivalent de cations.

La concentration marine en cations étant constante, où partent les milliards de tonnes apportés par les fleuves ?

Pas par l'évaporation de la mer (qui exporte de l'eau "distillée") et très peu par les embruns... Beaucoup pensent à la vie : une algue absorbe du magnésium Mg pour fabriquer ses molécules de chlorophylle et les poissons absorbent du potassium K pour leur métabolisme. Mais outre le fait que ces phénomènes sont négligeables, les êtres vivants rendent à l'océan Mg et K au moment de leur mort, en se décomposant.

Le calcium, Ca2+, apporté par les fleuves se trouve piégé efficacement dans les calcaires. Le potassium, K+, apporté par les fleuves est adsorbé par les argiles sédimentant en abondance dans la mer.

Le rôle de l'hydrothermalisme des dorsales

Quant à Mg2+ et Na+, ils sont piégés au niveau des dorsales. Ici, 3.1012 tonnes/an d'eau pénètrent dans la lithosphère par les fissures ouvertes, et ressortent par des fumeurs noirs : c'est l'hydrothermalisme océanique. Dans son cheminement dans les fractures de la lithosphère chaude, il y a échange de Mg2+ et de Na+ entre l'eau de mer et les roches de la croûte océanique. La serpentinisation et l'argilisation des pyroxènes et des olivines retiennent le Mg de la mer (la serpentine et les argiles magnésiennes sont plus riches en Mg que l'olivine et les pyroxènes).

Il y a également substitution de Ca par Na lors de l'altération des plagioclases (plagioclase calcique + ion Na+ → plagioclase sodique + ion Ca2+). On appelle ce phénomène l'albitisation des plagioclases. Pour se rendre compte de ces échanges, il suffit de comparer les teneurs moyennes en ppm dans l'eau de mer et dans les sources hydrothermales sous-marines.

Élément chimique

Eau de mer (en ppm)

Sources hydrothermales (en ppm)

Cl

19.500

17.300

Na

10.500

9.931

S (sulfates)

9.050

0

Mg

1.290

0

Ca

400

860

K

380

975

Si

3

600

Fe

0,002

101

Mn

0,0001

33

S (sulfures)

0

210

Source : I. Cojan, M. Renard, Sédimentologie, Dunod, 1999. Nouvelle édition 2006 : ISBN-13: 978-2100496235.

Une dorsale est donc une véritable pompe à Mg et à Na. Le piégeage du Ca et K par les calcaires et argiles étant très "efficace", la concentration de la mer est faible pour ces 2 ions. Le piégeage du Mg étant moyennement efficace, la concentration de la mer en Mg est moyenne. Pour le Na, dont le piégeage est très peu efficace, sa concentration dans l'eau de mer est y forte.

Qu'en est-il pour les anions ?

Les 2 anions principaux de la mer sont Cl- et HCO3 -. Le HCO3 - de l'océan, amené par les fleuve et l'atmosphère, est en échange permanent avec l'atmosphère, les carbonates, la biosphère ... et ce sont ces échanges qui régulent sa teneur dans la mer. En ce qui concerne le Cl-, on peut pour simplifier dire qu'il ne rentre dans aucun cycle géologique (hormis l'évacuation par les embruns, et par la sédimentation des évaporites, ce que l'on peut négliger quantitativement, en approximation). Contrairement au Ca2+, Na+, K+ ou Mg2+, Cl- n'est quasiment fixé par aucun sédiment, aucune roche... et ne peut que rester dans la mer. À l'opposé, très peu présent dans les roches continentales, les fleuves n'en amènent quasiment pas à la mer.

On pense que le chlore était un des volatils (minoritaires) qui ont composé l'atmosphère primitive avec (CO2, H2O et N2 surtout). Ce chlore s'est dissout dans l'eau de mer dès que celle-ci est devenu liquide, et y est resté depuis cette époque...