Production de carbonates et CO₂ atmosphérique

Les réactions de précipitation-dissolution des carbonates telles que vous les écrivez s'équilibrent aux échelles de temps brèves ; le bilan est nul et cela n'influe pas sur le taux de CO₂ atmosphérique. Les variations aux grandes échelles de temps (comme la baisse globale du CO₂ depuis 4,5 milliards d'années, la baisse du CO₂ au Carbonifère ou depuis le début du Tertiaire, la hausse au Crétacé...) sont dues aux variations relatives de l'altération continentale (qui pompe du CO₂) et du volcanisme (qui en fournit). Au cours de l'histoire de la Terre, la fabrication de calcaire (en surface, suite à l'altération des silicates calciques) a été globalement légèrement supérieure à sa destruction en profondeur (par métamorphisme et subduction). Au cours des temps géologiques, le CO₂ atmosphérique a donc baissé, d'un facteur 100 000 à peu près.

Lorsqu'on on travaille à un instant donné, aujourd'hui par exemple, on écrit l'équation :

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ 2 HCO₃^- + Ca²⁺

Cela veut dire, par exemple, que l'eau de pluie absorbe du CO₂ atmosphérique, que cette pluie chargée de CO₂ attaque le calcaire, qui se trouve ainsi transformé en HCO₃^- et Ca²⁺. Il y a donc prélèvement de CO₂ dans l'atmosphère, qui se trouve alors transféré vers l'hydrosphère.

Cela veut dire, dans l'autre sens, que lorsqu'un corail fabrique son test, il prélève 2 moles de HCO₃^- de l'hydrosphère, pour donner une mole de CaCO₃ et une mole CO₂. Ce CO₂ est dans ce cas précis utilisé par une algue symbiotique, et sa libération dans l'atmosphère est différée jusqu'à la mort de l'algue.

À l'échelle du millier ou du million d'années, ces deux réactions s'équilibrent. Si pour une cause x ou y, un sens est favorisé, par exemple libération de CO₂ à cause de la précipitation de calcaire, le CO₂ augmentera, ce qui favorisera la dissolution des carbonates, et donc le transfert de CO₂ de l'atmosphère vers l'hydrosphère. À l'échelle du millier ou du million d'années, le bilan de tout cela est nul, et ne change pas la teneur en CO₂ atmosphérique.

Tous les raisonnements précédents se font donc avec une quantité de CaCO₃ et de Ca²⁺ constante. Et c'est là que le bât blesse...

En effet, la quantité de CaCO₃ et de Ca²⁺ n'est pas constante. L'altération des silicates calciques (contenant du Ca²⁺) par une eau chargée en CO₂ est un phénomène très lent qui pompe du CO₂ de l'atmosphère pour le transformer en CaCO₃ :

La somme de tout cela, c'est :

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

Il y avait 2 CO₂ au départ et il en reste un seul à l'arrivée... Parce qu'il y a eu apport de calcium nouveau, un CO₂ de l'atmosphère a été prélevé et il est devenu CaCO₃. Dans toutes ces équations, il y a partout ⇄, sauf à un endroit où il n'y a que →. C'est pour cela que globalement, la somme de ces réactions ne va que dans un sens (→).

Ensuite, ce CaCO₃ sera pris dans le cycle classique de la dissolution des carbonates, dont le bilan est nul sur quelques milliers à millions d'années.

Dans la nature, les plus courants des silicates calciques ne sont pas la wollastonite, mais le plagioclase calcique, les pyroxène et les amphiboles… L'équation bilan avec le plagioclase peut alors s'écrire : 2 Al₂SiO₈Ca + 2 CO₂ + 4 H₂O à 2 CaCO₃ + Si₄O₁₀Al₄(OH)₈ (kaolinite). L'altération des granites et de ses plagioclases fabrique donc des chaos granitiques, de l'arène, des argiles mais le plus important, à l'échelle de la planète Terre, c'est la baisse du CO₂ atmosphérique.

C'est comme cela qu'au cours des milliards d'années, du CO₂ atmosphérique a été transformé en CO₂ lithosphérique (calcaire). Ce CO₂ lithosphérique (calcaire) est détruit à chaud dans les réactions métamorphiques et surtout par la subduction (CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂). Ce CO₂ revient alors dans l'atmosphère par le volcanisme.

Les variations aux grandes échelles de temps (baisse du CO₂ au Carbonifère ou depuis le début du Tertiaire, hausse au Crétacé...) sont dues aux variations relatives de l'altération continentale (qui pompe du CO₂) et du volcanisme (qui en fournit). Mais au cours de l'histoire de la Terre, la fabrication de calcaire (en surface, suite à l'altération des silicates calciques) a été globalement légèrement supérieure à sa destruction en profondeur (par métamorphisme et subduction).

Au cours du temps, le CO₂ atmosphérique a donc baissé, d'un facteur 100 000, à peu près : pression de CO₂ voisine de 30.10⁵ Pa (30 atm) juste après la formation de la Terre et de 30 Pa (0,000 3 atm) actuellement.