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OpenEdition Books

Le climat à découvert

 | 
Catherine Jeandel
, 
Rémy Mosseri

Deuxième partie. Les mécanismes physico-chimiques en jeu

14. Le cycle du carbone à l’échelle des temps géologiques

Yves Goddéris, Yannick Donnadieu, Gilles Ramstein, Emmanuelle Pucéat et Guillaume Le Hir

Texte intégral

1La quantité de CO2 présente dans l’atmosphère a connu des fluctuations importantes au cours des millénaires. Celles-ci sont le reflet des déséquilibres entre sources et puits de carbone actifs à l’échelle géologique. Dans les sources de CO2, on classe le dégazage de la Terre solide (dégazage volcanique, diffus et aux dorsales) et l’oxydation du carbone organique sédimentaire, souvent mis à l’affleurement dans les zones montagneuses. Tandis que du côté des puits de carbone on trouve la consommation de CO2 atmosphérique lors de l’altération chimique des roches silicatées* suivie de la précipitation de minéraux carbonatés* sur les fonds marins, et l’enfouissement de carbone organique dans les sédiments* marins et lacustres.

Carbone et temps : la nécessité d’une rétroaction négative*

2Face à ces processus géologiques, le temps de résidence du carbone dans le système océan/atmosphère est de l’ordre de 200 000 ans. Cette durée est courte au regard de l’évolution géologique qui se compte en millions d’années. La relative stabilité de la teneur en CO2 dans l’atmosphère et du climat terrestre dépend donc de l’existence de processus capables de limiter les fluctuations du CO2 atmosphérique dans des limites raisonnables (entre lesquelles l’eau peut exister à l’état liquide à la surface). La plus puissante de ces rétroactions négatives est celle impliquant l’altération des roches silicatées (granites et basaltes) qui consomme aujourd’hui 0,1 Gt de carbone par an. Cette rétroaction s’appuie sur un principe simple : toute augmentation de la teneur en CO2 provoque un réchauffement climatique et une augmentation globale des précipitations atmosphériques. Ces deux facteurs sont supposés augmenter l’efficacité de la pompe de carbone par altération des roches silicatées, ce qui s’oppose à la croissance du CO2 dans l’air en la tempérant.

Les bassins versants : un outil pour comprendre l’évolution du climat terrestre

3Reconstruire le climat à l’échelle géologique nécessite donc de comprendre comment fonctionne l’altération chimique des roches silicatées. Cette compréhension passe par l’étude des bassins versants actuels. L’efficacité de l’altération dépend de la nature minéralogique de la roche, de la quantité d’eau qui circule, de la température, de l’action chimique et mécanique de la végétation et de l’intensité de l’érosion physique. Nombre de ces paramètres sont aussi fonction du climat et donc de la teneur en CO2 atmosphérique, généralement de manière non triviale. De nombreuses avancées ont été faites dans notre compréhension de la dépendance de l’altération chimique vis-à-vis de l’ensemble des paramètres environnementaux. On étudie par exemple les changements d’altération chimique en réponse aux changements d’origine anthropique.

4Du point de vue du cycle organique du carbone, le rôle des chaînes de montagnes a également été exploré via l’étude des rivières himalayennes et de forages dans les sédiments du golfe du Bengale. Les flux énormes de particules en suspension dans ces rivières, liés à une érosion intense dans la chaîne himalayenne, favorisent un taux de sédimentation important dans le golfe. Il en résulte un piégeage efficace de la matière organique et donc une consommation de CO2 atmosphérique (jusqu’à 0,01 Gt/an depuis 15 millions d’années).

Les modèles actuels de Système Terre à l’échelle géologique

5Les plus récents modèles numériques visant à décrire l’évolution du cycle du carbone et du climat à l’échelle géologique couplent la modélisation 3D du climat à une description des cycles biogéochimiques majeurs, dont le cycle de l’alcalinité*, de l’oxygène et des principaux nutriments. La modélisation 3D du climat permet une modélisation fine du cycle de l’eau (paramètre clé de l’altération) en fonction de la configuration tectonique verticale et horizontale, et donc la reconstruction des flux de consommation de CO2 atmosphérique par l’altération chimique des continents. La prise en compte d’autres cycles que celui du carbone est rendue indispensable par l’implémentation des dépôts de carbonate de calcium et de la productivité* biologique dans l’océan. La modélisation des processus de diagenèse précoce est également indispensable pour simuler l’enfouissement de carbone organique.

6L’un de ces modèles (GEO-CLIM) a montré le rôle fondamental joué par la configuration paléogéographique sur le cycle du carbone. Les configurations super-continentales du type Pangée* (vers 300-250 millions d’années) et Rodinia* (vers 800 millions d’années) provoquent une baisse des précipitations atmosphériques sur les continents par effet de continentalité. Cette baisse de la quantité d’eau disponible pour l’altération chimique réduit la pompe à CO2 atmosphérique. Il en résulte une croissance de la pression de CO2 et donc un réchauffement du climat.

Les proxies de CO2 atmosphérique

7Il n’existe aucune donnée directe de la pression de CO2 dans l’air avant 800 000 ans (âge des plus vieilles glaces). Elle est donc reconstruite par des méthodes indirectes : comptage de stomates sur des feuilles fossiles, fractionnement isotopique* en carbone de la biosphère* marine, isotopes* du bore sur carbonates, isotopes du carbone sur des paléosols*. L’histoire du CO2 atmosphérique qui en résulte montre des niveaux de CO2 très élevés au Paléozoïque* (3 000 ppmv), au Permien* et Trias* (2 000 ppmv), et bas au Carbonifère* (300 ppmv) et aujourd’hui (figure). Une des grandes énigmes du climat passé est que cette histoire du CO2 ne correspond que très approximativement aux reconstructions climatiques basées sur les isotopes de l’oxygène. L’accumulation de nouvelles données, comme l’abondance des liaisons 13C-18O dans les molécules de carbonates de calcium sédimentaire, devrait permettre de construire une histoire du climat plus fiable à l’échelle géologique. Il faut également noter que la dispersion des proxies de CO2 est très grande (parfois ± 1 000 ppmv) et peut être à l’origine de ces difficultés.

Pistes de recherche

8Le dégazage de la Terre solide est mal connu, même à l’heure actuelle. Des efforts de quantification de cette connexion entre la Terre interne et la Terre externe devraient être entrepris, afin d’aboutir à des reconstructions du taux de dégazage dans le passé. De même, l’exploration des liens tectonique-climat-évolution de la vie est aujourd’hui à la portée des modèles existants.

Reconstruction de la pression de CO2 atmosphérique au cours des temps géologiques, en fonction des différents proxies utilisés. Adapté de Royer et al., 2006

Table des illustrations

Légende Reconstruction de la pression de CO2 atmosphérique au cours des temps géologiques, en fonction des différents proxies utilisés. Adapté de Royer et al., 2006
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11364/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 564k

Auteurs

Paléoclimatologue, Chargé de Recherche au CNRS, LSCE, Gif-sur-Yvette.
yannick.donnadieu@lsce.ipsl.fr

Géochimiste isotopiste, Maître de Conférence, Université de Bourgogne, Dijon.
emmanuelle.puceat@u-bourgogne.fr

© CNRS Éditions, 2011

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