Roches à l’affleurement soumises aux processus d’altération chimique. © Alwyn Biju, imaggeo.egu.eu
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Sédiments, altération et CO2 : quand les roches participent à l’évolution du climat

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Le processus d'altération des roches silicatées est reconnu comme jouant un rôle important dans l'équilibre des quantités de CO2 dans l'atmosphère, notamment en agissant comme une pompe à gaz carbonique. Une nouvelle étude montre que cette balance du cycle du carbone pourrait être sérieusement perturbée par l'augmentation globale de la température. En cause : l'altération des roches sédimentaires, qui, au contraire, émet de grandes quantités de CO2.

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Le cycle géologique du carbone représente l'ensemble des échanges de l'élément C sur la Terre. Il décrit les échanges chimiques entre les différents réservoirs où est stocké le carbone.

Le cycle géologique du carbone

Il est particulièrement important à prendre en compte dans le cadre du changement climatique, puisque le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4), tous deux des gaz à effet de serre, y participent activement. Dans ce cycle, l'altération chimique des roches exposées à la surface de la Terre tient une place importante. Dans les modèles classiques, l’altération chimique des roches agit plutôt comme une pompe à CO2, avec une tendance à réguler le changement climatique. En effet, le CO2 présent dans l'atmosphère se dissout dans l'eau de pluie et de ruissellement pour former de l'acide carbonique. Cet acide va ensuite altérer chimiquement les roches silicatées, en particulier les basaltes, pour produire de la silice et du bicarbonate (2HCO3-). Cette suite de réactions va ainsi consommer de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Le bicarbonate, transporté sous forme soluble jusqu'à l'océan, va finir par précipiter naturellement pour former les roches sédimentaires carbonatées.

Le cycle géologique du carbone. © John Garrett, CC by-sa 3.0 via Wikimedia Commons

Au cours des temps géologiques, ces roches carbonatées peuvent suivre deux chemins différents. Elles vont soit finir par se retrouver mises à l'affleurement par le jeu des forces tectoniques, les exposant ainsi à l'érosion et à l'altération chimique, soit disparaître au niveau d'une fosse de subduction où les processus métamorphiques vont libérer du gaz carbonique qui s'échappera par la suite lors des éruptions volcaniques pour rejoindre l'atmosphère. L'ensemble de ces processus forme donc une boucle, que l'on appelle cycle géologique du carbone. Ce cycle est supposé intervenir comme un régulateur naturel de la concentration en CO2 atmosphérique : une augmentation du CO2 dans l'atmosphère engendre une augmentation de la température et des pluies, ce qui aura tendance à augmenter également l'altération des silicates, processus qui fera quant à lui baisser la quantité de CO2. Cependant, si l'altération des roches silicatées a la capacité de pomper le CO2 atmosphérique, une étude récente parue dans Nature Geoscience montre que d'un autre côté, l'altération des roches sédimentaires à plutôt tendance à en émettre.

Basaltes largement altérés. © Michael Grund, imaggeo.egu.eu

L’altération des roches sédimentaires émet de grandes quantités de CO2

Les roches sédimentaires contiennent en effet une grande quantité de carbone sous la forme de carbone organique et de minéraux carbonatés (comme la calcite, CaCO3). Lorsque les roches sédimentaires arrivent à l'affleurement par le jeu des forces tectoniques et de l'érosion, elles se retrouvent, comme les roches silicatées, soumises à des processus d'altération chimique. Plusieurs réactions d'oxydation ont ainsi lieu, résultant de l'interaction chimique entre les roches sédimentaires et les composants de l'atmosphère terrestre. Certaines de ces réactions engendrent notamment une émission de CO2. C'est le cas de l'oxydation de la matière organique piégée dans les roches sédimentaires, qui produit du CO2 et de l'eau. L'oxydation de minéraux sulfurés, comme la pyrite (FeS2), produit quant à elle des acides sulfuriques qui vont dissoudre les minéraux carbonatés. Cette seconde réaction produit également du CO2 qui va s'échapper dans l'atmosphère.

Sédiments riches en matière organique. © James St. John, Flickr

Or, les roches sédimentaires sont prédominantes à la surface de la Terre : elles couvrent environ 64 % de la surface continentale et représentent un immense réservoir de carbone d'origine organique. On estime que 1.1x106 mégatonnes de carbone organique sont ainsi stockées dans le premier mètre de ce type de roches. D'après les auteurs de l'étude, l'altération chimique de ce type de roche engendrerait ainsi le relargage de 40 à 100 mégatonnes de carbone organique par an. À titre de comparaison, ces flux de CO2 sont similaires à ceux émis par le volcanisme, l'autre grand acteur de l'émission de CO2 dans l'atmosphère.

Ces chiffres, bien qu'importants, sont tout à fait normaux et bien connus des scientifiques. Les réactions chimiques qui interviennent dans le cycle géologique du carbone ne sont pas nouvelles et gouvernent l'altération des roches sédimentaires depuis des milliards d'années. Ce que l'on connaît moins, c'est la sensibilité de ces réactions face aux variations climatiques et notamment les variations hydrologiques et de température.

Des flux de CO2 sensibles à la hausse de température

L'équipe de chercheurs de l'université de Durham (Royaume-Uni) a ainsi mesuré, directement sur l'affleurement et sur de longues périodes, le taux d'émission de CO2 produit par l'altération chimique des roches sédimentaires. Il s'avère que les variations du flux de CO2 sont corrélées aux changements de température annuelle : les mois d'été étant caractérisés par un flux de CO2 cinq fois plus élevés que durant les mois d'hiver.

Ces résultats bousculent les modèles actuels du cycle du carbone et questionnent sa capacité à rester en équilibre dans le cas d'une augmentation globale de la température. Les roches sédimentaires étant les roches dominant la surface des continents, leur contribution à l'émission de CO2 dans l'atmosphère ne peut donc pas être négligée et doit être mise en balance avec l'effet de l'altération des silicates.

Les auteurs suggèrent qu'une augmentation de la température de 2 à 4 °C pourrait engendrer une augmentation de l'émission de CO2 de l'ordre de 15 à 30 % grâce aux processus d'oxydation, impactant sérieusement la balance du cycle global du carbone.

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