Cycle géologique du carbone - Les liens entre climat, activité tectonique et altération des roches

Jérôme Gaillardet

Laboratoire de géochimie cosmochimie, Institut de physique du globe de Paris.

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

19/09/2000

Résumé

TD 3/3 - Influence de la température, des précipitations et du relief sur les réactions d'altération des roches. Contrôle du CO2 atmosphérique.


Introduction

Puisque nous avons vu que l'altération des roches est un puits de CO2 atmosphérique, efficace à très long terme, nous devons maintenant nous poser la question de savoir quels sont les paramètres qui vont influencer l'altération des roches et donc le cycle géologique du carbone, afin de modéliser et de prévoir l'évolution séculaire de ce cycle.

Questions

Altération et température

Les figures 1 et 2 montrent l'effet de la température sur les taux d'altération des roches en conditions expérimentales et à partir de données de terrain. Commentez. Quelle loi théorique justifie ces observations ?

Figure 1. Résultats d'expériences de dissolution de minéraux en conditions contrôlées en fonction de la température.

W/Wo est le rapport du taux de dissolution à une température donnée sur le taux de dissolution à 0°C.



réponse.

Altération et précipitations

On montre sur la figure 3, les résultats de données de terrain mesurées sur des petits bassins granitiques en fonction du runoff ou écoulement spécifique (débit/surface). Conclusions ?

Figure 3. Flux de HCO3 - dans des rivières granitiques en fonction du Runoff en cm/an. (Échelles log).


La carte de la répartition globale du runoff (tiré du site web du Canadian Center of Inland Water) est donnée sur la figure 4.

Figure 4. Répartition mondiale de l'écoulement spécifique en mm/an


Quelles seront donc les régions du monde les plus efficaces pour la consommation de CO2 ? réponse.

Altération et relief

Énumérez quels peuvent être les effets de l'altitude sur l'altération des roches ? Sachant qu'on perd 5°C par 1000 m d'altitude, évaluer les variations du taux d'altération des roches entre la Plaine Indienne et l'Himalaya ? réponse.

Le couplage avec la production de sédiments

Il existe une loi globale (basée sur la composition des grands fleuves) qui montre que l'altération des silicates est d'autant plus forte que l'érosion mécanique est intense (figures 5 et 6).

Figure 5. Corrélation entre l'altération chimique des continents (et donc la consommation de CO2) et le transport de sédiments.

Les taux d'érosion chimique et mécanique sont déduits de l'étude des plus grands fleuves. Unités arbitraires (d'après Gaillardet et al.)


Figure 6. Relation, pour les grands fleuves, entre le transport de sédiments (comme indicateur de l'érosion mécanique) et le relief.

D'après Summerfield et Hulton.



La carte mondiale de l'érosion mécanique est donnée en figure 7. Quelles sont donc les régions les plus efficaces en terme de consommation de CO2 ? Quel peut-être le rôle des glaciers ? réponse.

Une Terre thermostatée ou une Terre en train de se refroidir ?

À partir des observations précédentes, imaginez plusieurs scénarios possibles de couplage entre le climat (l'atmosphère) et la lithosphère.

L'évolution des températures de la surface terrestre dans le passé géologique peut être reconstituée à l'aide des isotopes stables de l'oxygène.

Figure 8. Agrandir l'image


Figure 9. Agrandir l'image


La figure 8 montre l'évolution probable des températures de l'océan à l'ère Tertiaire. Commentez.

On donne la courbe d'évolution des sédiments clastiques produits à L'ère Tertiaire (figure 9)


On rappelle que la collision Inde-Asie qui donna naissance à la Chaîne himalayenne se produit vers 40 Ma, mais que la formation de l'Himalaya moderne débute vers 15 Ma. réponse.

Un exemple de reconstitution : le modèle GEOCARB (Berner et collaborateurs)

GEOCARB est un des modèle du cycle géologique du carbone. Il utilise des courbes d'évolution des différents paramètres du cycle du carbone (flux de CO2 volcanique: figure 10, évolution de l'érosion mécanique, évolution de la température, de la pluviosité) est donne une courbe d'évolution de la teneur en CO2 de l'atmosphère qui reproduit assez bien l'évolution des températures déduite des isotopes de l'oxygène. Commentez cette courbe et essayez d'expliquer simplement son allure (figure 11).

réponse.

Réponses

Dans quel monde vivons nous ? La Terre est-elle capable, en agissant sur le cycle du carbone, de réguler la teneur en CO2 de son atmosphère, à la manière dont un être vivant régule son milieu intérieur ? Le troublant synchronisme entre la formation de la chaîne himalayenne et la dégradation du climat global depuis le milieu de L'ère Tertiaire indique t-il que la formation des chaînes de montagnes entraîne la Terre dans des périodes glaciaires ? C'est en cernant les paramètres importants qui régissent le cycle du carbone que nous pourrons apporter des réponses à ces questions fondamentales sur notre passé.

Altération et température

Le rôle de la température sur l'altération des roches et donc la consommation de CO2 atmosphérique peut être abordé de diverses manières. Il y tout d'abord l'école des expérimentalistes. C'est ce que montre la figure 1. Physiquement, on sait que la loi d'Arrhenius prévoit que la température a un effet positif sur les vitesses de réactions chimiques. L'altération de chaque minéral réagit à une augmentation de la température suivant son « énergie d'activation » propre. La plupart des recherches actuelles menées par les expérimentalistes visent à déterminer les énergies d'activations des minéraux constitutifs de l'écorce terrestre. L'autre école est celle des géochimistes de terrain, qui se basent sur l'analyse des ruisseaux drainant des lithologies identiques, sous différents climats. Dans la figure 2, on montre les résultats d'une étude américaine sur des bassins entièrement granitiques. Le flux de silice est pris comme un indice de l'altération des minéraux silicatés. Ce diagramme montre que le flux est multiplié par 5 pour une différence de 30°C. Ce gradient est moins élevé que celui prévu par les expérimentations. En général, les taux d'altération chimiques observés dans la nature varient moins avec la température que ce que prédisent les lois déduites des expériences. En conclusion, les études expérimentales comme celles de terrain, montrent que la température joue sur l'altération des roches silicatées : une augmentation de la température provoque une augmentation des taux d'altération chimique.

Remarque : l'effet de la température est plus difficile à voir sur les données des grands fleuves, car, comme nous l'avons vu, les flux sont dominés par la lithologie et l'influence des autres paramètres est masquée. L'abondance de calcaires sur un grand bassin versant donne des flux de matière dissoutes élevées, indépendamment des autres facteurs, climatiques ou tectoniques qui n'impliquent pas forcément une forte altération chimique des silicates. retour.

Altération et précipitations

La carte de répartition du runoff à la surface de la Terre montre de grandes disparités. Le runoff correspond aux précipitations diminuées de l'évapo-transpiration. Les régions du monde les plus humides sont l'Asie du SE, l'Indonésie, les latitudes équatoriales de façon générale, mais également aux latitudes septentrionales, la Colombie britannique et les Rocheuses canadiennes, la Scandinavie du Nord, le Labrador et l'arc alpin en Europe.

La figure 3 montre que, à lithologie constante, le runoff a une influence forte sur les taux de consommation de CO2, puisque de 100 mm/an à 1 000 mm/an, qui est la gamme de variation naturelle, le flux de CO2 consommé varie sur un ordre de grandeur. Cette courbe et la précédente (sur l'effet de la température) montrent donc que ce sont les climats chauds et humides qui sont les plus favorables pour l'altération des roches et donc la consommation de CO2.

Certaines données de terrain prouvent en fait que ce n'est pas systématique. Par exemple, en Guyane brésilienne, les taux d'altération chimique déterminés grâce aux rivières sont de l'ordre de 5 t/km2/an, alors qu'à Puerto Rico, ils avoisinent les 30 t/km2/an (climats approximativement similaires). Il y a donc d'autres paramètres qui interviennent. retour.

Altération et relief

La présence de relief peut avoir plusieurs conséquences sur l'altération des roches.

  • En montagne, les températures baissent avec l'altitude, mais les précipitations augmentent (pluies orographiques). Comme l'effet de runoff l'emporte sur l'effet de température (cf. question précédente), on doit s'attendre à ce que les montagnes possèdent des flux d'altération chimique plus forts que les plaines.
  • En montagne, l'érosion mécanique est intense, car entretenue par les glissements de terrain, l'instabilité des sols, l'absence de végétation à partir d'une certaine altitude, l'alternance gel-dégel. En montagne, les glaciers produisent des quantités importantes de matériel fin très divisé, possédant une grande surface spécifique, et qui est donc très vulnérable à l'altération chimique. La galerie de photographies de l'atelier 1 montre quelques fleuves péri himalayens transportant du matériel fin d'origine glaciaire : Brahmapoutre au Tibet, Daduhe (un affluent du Changjiang, qui draine la retombée occidentale du Tibet), le Huanghe qui draine le plus vaste plateaux de Loess (matériel éolien d'origine glaciaire) du monde. Le fleuve Mackenzie draine aussi quantité de matériel fin produit par les glaciers du Quaternaire, ce qui lui confère sa couleur laiteuse caractéristique. retour.

Le couplage avec la production de sédiments

Le graphe de la figure 6 à été obtenu en comparant les taux d'altération chimique des silicates dans les grands fleuves (nous ne détaillerons pas comment on a extrait de la composition chimique des grands fleuves du tableau 2 de l'atelier 1 (pdf ou ods), la partie ne provenant que de l'altération des roches silicatées), au taux d'érosion mécanique, évalué au premier ordre par la charge en suspension des grands fleuves (Figure 12)

Figure 13. Agrandir l'image


Une corrélation globale apparaît qui prouve que les régions du monde possédant les plus forts taux d'altération chimique des silicates (donc de consommation « efficace » de CO2 atmosphérique) sont également les régions les plus productives en sédiments. Les taux d'altération chimique varient sur deux ordres de grandeur, des régions qui exportent le moins de sédiments (fleuve Congo) à celles qui en exportent le plus (Huanghe). On parle d'un couplage global entre les érosions mécanique et chimique des silicates (les matières solides en suspension dans les fleuves ne peuvent provenir que de l'altération des silicates, les calcaires se dissolvant sans donner naissance à un résidu solide). La corrélation entre l'érosion mécanique, déduite de la charge en suspension des grandes rivières et le relief (figure 6) montre d'autre part que les régions du monde les plus productives en sédiments sont celles qui ont les plus forts reliefs. Ainsi, les régions les plus efficaces en termes de consommation de CO2 sont les régions de montagne, particulièrement les bassins de drainage des rivières péris himalayennes. Dans les régions de plaine, telles que les bassins amazoniens (non andins), le bassin du Zaïre ou la Guyane, des sols épais entretenus par une érosion mécanique faible, protègent en fait la roche mère de l'altération malgré des conditions climatiques à priori très favorables, comme nous l'avons vu plus haut. Dans ces systèmes, qui ont évolué et sont restés stables pendant des millions d'années (fleuve Congo), le sol exerce un effet dit effet bouclier. La « jeunesse » ou la vieillesse des sols joue donc un rôle sur les taux d'altération chimique. retour.

Une Terre thermostatée ou une Terre en train de se refroidir ?

La courbe des isotopes de l'oxygène au cours de L'ère Tertiaire montre que la température de la surface de la Terre n'a pas cessé de baisser (on le voit sur la température de surface de l'océan aux latitudes moyennes, et plus encore sur la température des eaux océaniques profondes). Rappelons que l'abondance des deux isotopes de l'oxygène (16O et 18O) dans les coquilles calcaires est directement reliée à la température de leur milieu de formation. La deuxième courbe est quant à elle une estimation probablement grossière de l'évolution de la température de la surface du globe, basée sur divers arguments, dont paléontologiques. Elle confirme la dégradation de la température globale depuis le début du Tertiaire, l'existence d'une longue période chaude couvrant le Crétacé et le Jurassique (la Terre ne connaît alors aucune calotte glaciaire) et l'existence de périodes glaciaires au Permien et à l'Ordovicien.

La figure 9 a été construite en estimant la quantité de sédiments détritiques (i.e. issus de l'érosion physique des continents) produits à chaque époque de l'histoire de la Terre et accumulés dans les bassins sédimentaires. Cette courbe est intéressante à plus d'un titre. Elle montre déjà que la période actuelle est une période de production majeure de sédiments. Cette érosion physique forte des continents est à mettre en rapport avec l'érosion de la Chaîne himalayenne ou alpine au sens large. Pour retrouver des niveaux d'érosion comparable, il faut remonter à L'ère Primaire (érosion des Chaîne Hercynienne et Calédonienne). Les deux dernières périodes de glaciations par lesquelles la Terre est passée sont contemporaines de ces deux grandes orogenèses. Le lien entre orogenèse et glaciation, que nous constatons ici, avait été remarqué par Chamberlain, géologue américain, il y a un siècle. La théorie de Raymo (1988, du nom d'une chercheuse au MIT) a revisité cette idée en la précisant (figure 13). La surrection d'une orogenèse, par collision entre deux plaques lithosphériques, augmente l'érosion physique des reliefs, crée des surfaces spécifiques de contact entre l'eau et les minéraux élevées et stimule ainsi l'altération chimique des silicates, donc la consommation de dioxyde de carbone atmosphérique. Localement, le flux de CO2 par altération augmente, mais c'est globalement que la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique baisse, entraînant une baisse généralisée des températures. Des calottes de glace se forment aux pôles et des glaciers apparaissent en montagne, où ils augmentent considérablement l'érosion mécanique en fournissant aux systèmes fluviaux des quantités énormes de sédiments fins finement divisés (les farines glaciaires, typiques des ruisseaux sous glaciaires, Mackenzie, Huanghe, Brahmapoutre), et favorisent l'altération des roches silicatées dans les vallées ou en plaine, là où ces sédiments s'accumulent. L'atmosphère terrestre perd donc de plus en plus de CO2, en continue de se refroidir.

Figure 14. Agrandir l'image


Figure 15. Agrandir l'image


Dans ce schéma, il n'existe pas de mécanisme régulateur de la teneur en CO2 de l'atmosphère et la Terre peut se raréfier en CO2 jusqu'à ce que l'eau liquide n'existe plus à la surface de la Terre et soit entièrement sous forme de glace. Certains géologues pensent que la Terre a subit des catastrophes glacées de ce type (la Terre « boule de neige », ou Snowball Earth de P. Hoffmann) en particulier à la fin du Protérozoïque.

A l'inverse, d'autres auteurs ont une version beaucoup plus « optimiste » du monde dans lequel nous vivons. Nous serions sur une Terre thermostatée qui fonctionnerait de la façon suivante (figure 14). En réponse à une augmentation de CO2 atmosphérique (éruption volcanique), la Terre se réchauffe, ce qui, au travers du lien entre température l'altération des silicates (figure 12), provoque une augmentation de l'altération des silicates et donc une baisse du CO2 atmosphérique. Un rétro-contrôle négatif existerait donc qui stabiliserait la pression partielle de CO2 dans l'atmosphère et maintiendrait des conditions thermiques à la surface de la Terre compatibles avec la vie. Cette théorie est celle du thermostat, ou encore hypothèse de Walker (1981) du nom de son découvreur. Géologiquement, ce mode de fonctionnement semble bien s'appliquer au monde Crétacé, qui et une période de volcanisme intense (le taux d'expansion des fonds océaniques est important), chaude (il n'y a pas de calotte glaciaire connue) et de haut niveau marin (les dépôts crayeux crétacé en attestent), au cours duquel la pression partielle de CO2 ne semble pas avoir excédée quelques fois la pression partielle de CO2 moderne, malgré les apports volcaniques intenses. La figure 15 montre la carte paléogéographique du Crétacé (-94 Ma) selon Scotese.

Figure 16. Agrandir l'image


retour.

Un exemple de reconstitution : le modèle GEOCARB (Berner et collaborateurs)

Le modèle GEOCARB crée par R. Berner (Université de Yale) reprend un modèle plus ancien de Berner, Lasaga et Garrels (le modèle BLAG). Ce modèle intègre plusieurs dépendances des taux d'altération chimique des silicates en fonction de divers paramètres et tente une modélisation dans le temps qui conduit à déterminer les pressions partielles de CO2 et donc la température aux différentes époques géologiques. La forte dépendance des taux d'altération des silicates avec la température (suivant la loi montrée graphiquement figure 1) est une des caractéristiques de ce modèle. Ce modèle est donc fortement inspiré de l'hypothèse de Walker et postule qu'à tout instant le flux de CO2 dégazé du manteau vers le système océan + atmosphère est équilibré par le flux de consommation de CO2 par l'altération des silicates. Le modèle propose des reconstitutions pour tout le Phanérozoïque (figure 5). Nous nous limitons ici à l'ère Tertiaire. La courbe de la figure 11 explique assez bien les tendances climatiques observées à l'ère Tertiaire (comparez avec la courbe des températures de surface de la figure 8). L'Éocène correspond à une période d'optimum climatique, la fin de l'Oligocène et le début du Miocène sont des périodes plus froides, une remontée des températures se produit au Miocène, interrompue par l'entrée en période glaciaire au Pliocène. L'analogie entre la courbe du dégazage mantellique (dont le meilleur indice est la courbe d'évolution du taux d'accrétion de croûte océanique) et la courbe des températures (donc de la teneur en CO2 de l'atmosphère) montre que le modèle GEOCARB est réglé par l'apport de CO2 par le volcanisme. Les périodes chaudes sont des périodes de volcanisme intense, les période froides, des périodes de faible taux de dégazage. Le rétro-contrôle négatif lié à l'altération des roches ne fait que tamponner les apports à l'atmosphère de CO2 volcanique. Le fait que le climat global se dégrade au Cénozoïque est dû à la décroissance du taux de dégazage de CO2 volcanique.

D'autres modèles existent, plus ou moins sophistiqués, mais la modélisation de Berner est celle qui est la plus souvent citée. Il faut avoir conscience de ses limites et se dire que ce n'est qu'un modèle. Toutefois, quelques données indirectes de mesure de la pression partielle de CO2 et de la température ont été publiées qui semblent en assez bon accord avec la courbe modélisée de Berner. Ces évidences proviennent des isotopes stables du carbone dans les paléosols ou bien encore la densité de stomates sur les feuilles fossiles. Ces arguments indépendants du modèle sont montrés sur la figure 16.

Figure 17. Agrandir l'image


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Vers l'Atelier 1 : Comment les continents neutralisent-ils l'acidité atmosphérique ?

Vers l'Atelier 2 : Le cycle global du carbone.