Volcanisme aérien et production de carbonates

Michel Steinberg

Département des Sciences de la Terre, Université Paris Sud

Jérôme Gaillardet

Institut de Physique du Globe de Paris

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/07/2002

Résumé

Couplage entre le volcanisme, la sédimentation des carbonates et le climat.


Introduction

Ce document d'Aleksandr Borisovich Ronov met en relation les volumes de laves émis et les volumes de carbonates déposés par million d'années depuis le Cambrien.

Figure 1. Estimations des volumes de roches carbonatées et de roches volcaniques produits depuis le Cambrien

Estimations des volumes de roches carbonatées et de roches volcaniques produits depuis le Cambrien

D'après Aleksandr Borisovich Ronov. La Terre, Supplément APBG n°2, 1997 p.151


Dans l'idée des auteurs soviétiques, cette relation pouvait être expliquée de la façon suivante. Le volcanisme aérien est accompagné d'émission de CO2. Lorsque l'intensité du volcanisme augmente, la teneur en CO2 de l'atmosphère augmente, donc le pH des eaux de pluie diminue et l'altération des continents augmente sous l'action de cette eau plus acide.

Dans ces conditions, les quantités d'ions Ca2+ et HCO3 - libérés par l'altération et arrivant dans les océans augmentent et il y a alors prolifération des organismes dans l'océan et sédimentation de quantités croissantes de carbonates.

Figure 2. Aleksandr Borisovich Ronov

Aleksandr Borisovich Ronov

Du point de vue de l'histoire des sciences, il est intéressant de constater que les scientifiques russes dont on sait qu'ils ont été très isolés pendant toute une période (dans nos domaines ils ont mis un certain temps à admettre la dérive « bourgeoise » des continents) ont parfois mené des travaux très originaux du fait de cet isolement.

C'est le cas de Budkyo, et surtout d'Aleksandr Borisovich Ronov, qui très tôt (au début des années 70) ont essayé de comprendre les variations de volumes de roches « fabriquées » au cours des temps géologiques. Ils avaient d'ailleurs été parmi les premiers à disposer de données chiffrées fiables fondées sur un nombre absolument gigantesque de forages réalisés notamment dans l'immense plate-forme russe.

Altération de basaltes, cycle du carbone et climat

Outre l'aspect modélisation et les rapports avec la tectonique des plaques, le travail de Berner, Lasaga et Garrels (dont je me suis servi pour l'article APBG de 1997) apporte un point tout à fait crucial dans la compréhension du cycle du CO2. Il montre qu'un accroissement des teneurs en CO2 de l'atmosphère a un impact sur le climat et que si l'altération augmente quand le CO2 atmosphérique augmente c'est avant tout parce que la température augmente. En dehors de la cinétique des réactions, la solubilité des ions dépendent beaucoup de la température. L'acidité de l'eau de pluie n'intervient probablement que de façon marginale.

Depuis ces travaux très précurseurs de Berner, Lasaga et Garrels, les scientifiques ont établi les lois d'altération des roches volcaniques grâce à des données de terrain. Ces lois confirment bien que :

  • les basaltes s'altèrent très vite. De 10 à 100 fois plus vite que les autres roches continentales. De ce fait, toute genèse de basaltes à la surface de la Terre s'accompagne à long terme d'une consommation de CO2 atmosphérique par les réactions chimiques de l'altération des silicates de Ca et Mg. En effet, le volcanisme aérien, outre la libération du CO2 qui a les effets à court terme décrits ci-dessus, amène en surface une quantité importante de basaltes, donc de silicates calciques et magnésiens, sous forme de minéraux ou de verre (le verre volcanique étant plus rapidement altéré que les minéraux cristallisés). L'altération de ces roches volcaniques riches en calcium ne peut que favoriser la libération de Ca2+, donc la précipitation de calcaire, suivant des réactions du type :

    2 H2O + 2 CO2 + CaSiO3 → CaCO3 + SiO2 + 2 H2O + CO2

    Cette altération se poursuit tant qu'il reste du basalte à altérer ( action à long terme ).

  • les deux paramètres vraiment importants sont la quantité d'eau qui s'écoule sur ces basaltes et la température . En effet, une température élevée favorise leur altération. Un écoulement d'eau important favorise aussi leur altération. Le paramètre dominant, c'est l'eau. Une Terre chaude étant globalement une Terre plus humide, le rétro contrôle va dans le sens décrit ci-dessus (accroissement des teneurs en CO2 de l'atmosphère → altération qui augmente). Toutefois, il suffit qu'une effusion de basalte ait lieu dans les régions froides ou non pluvieuses pour que leur impact climatique ne soit que de libérer du CO2 dans l'atmosphère et donc de la réchauffer.

Enfin, n'oubliez pas que la formation d'un chaîne de montagne est aussi un facteur qui favorise l'altération des silicates continentaux et permet également la précipitation de calcaire dans les océans.

Figure 3. Facteurs influençant l'altération

Facteurs influençant l'altération

Voir aussi L'équilibre entre les enveloppes externes est-il fragile ?