Fiche de révision : Les grands cycles du carbone

📋 Plan du Cours

1. Formes terrestres du carbone
2. Réservoirs terrestres du carbone
3. Assimilation et minéralisation du carbone
4. Production et devenir du méthane
5. Pompes océaniques du carbone
6. Altération et dégazage géologique
7. Flux et temps de résidence
8. Cycle court du carbone
9. Cycle long et fossilisation
10. Conservation des tests carbonatés

📖 1. Formes terrestres du carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule organique : En biogéosciences, une molécule organique est une molécule carbonée présente sur Terre majoritairement du fait de l’activité métabolique des êtres vivants.

★ À maîtriser

📌 Le carbone réduit se trouve notamment dans la biomasse actuelle et fossile, tandis que le carbone oxydé se trouve notamment dans le CO, le CO₂ et les carbonates.

Compléments

• Dans la croûte terrestre, le carbone représente en moyenne 200 ppm en masse des matériaux rocheux.

• Les formes inorganiques du carbone comprennent notamment :

  • le CO₂
  • le bicarbonate HCO₃⁻
  • l’acide carbonique H₂CO₃
  • les carbonates
  • le CO
  • le méthane CH₄

• Dans les eaux proches de la neutralité, HCO₃⁻ prédomine ; H₂CO₃ domine lorsque le pH est inférieur à 5 et CO₃²⁻ lorsque le pH est supérieur à 10.

💡 Astuce mémo

Carbone réduit organique, carbone oxydé minéral

📖 2. Réservoirs terrestres du carbone

★ À maîtriser

• Les sept réservoirs majeurs de carbone sont (Kandasamy S., 2016) :

  • le manteau
  • les carbonates
  • le carbone organique fossile
  • l’atmosphère
  • l’hydrosphère
  • la biosphère
  • la nécrosphère

• Le réservoir mantellique contient environ 10⁹ Gt de carbone, tandis que le réservoir des carbonates en contient environ 80 × 10⁶ Gt. - Kandasamy S., Front.Mar.Sci.3 :259, 2016

• Le réservoir atmosphérique contient environ 829 Gt de carbone, l’hydrosphère 39 000 Gt et la biosphère 550 Gt de carbone vivant. - Kandasamy S., Front.Mar.Sci.3 :259, 2016

Compléments

• La nécrosphère contient environ 1 950 Gt de carbone, avec une estimation comprise entre 1 500 et 2 400 Gt.

• La biomasse océanique représente environ 3 Gt de carbone, soit 0,5 % de la biomasse totale, tandis que la biomasse continentale vivante en représente environ 550 Gt.

• Le réservoir des eaux océaniques contient environ 50 fois plus de carbone que le réservoir atmosphérique.

📖 3. Assimilation et minéralisation du carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Assimilation du carbone : L’assimilation du carbone est la conversion du carbone inorganique, notamment du CO₂, en molécules organiques par des organismes autotrophes au carbone.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le bilan théorique de l’assimilation du CO₂ en ose est $\mathrm{CO_2 + H_2O \rightarrow O_2 + CH_2O}$.

• L’assimilation du CO₂ consomme de l’énergie, lumineuse chez les photolithotrophes et chimique chez les chimiolithotrophes.

📐 Formule - Le bilan théorique de la minéralisation de la matière organique est $\mathrm{CH_2O + O_2 \rightarrow H_2O + CO_2}$.

Compléments

• La Rubisco catalyse la carboxylation du ribulose-1,5-bisphosphate en phosphoglycérate lors de l’assimilation du carbone.

• La décomposition de la nécromasse peut conduire à la formation d’humus, puis à une minéralisation secondaire lente de ses molécules.

💡 Astuce mémo

Assimilation réduit le CO₂ ; minéralisation réoxyde la matière organique

📖 4. Production et devenir du méthane

🔑 Notions clés & Définitions

• Clathrates de méthane : Les clathrates de méthane sont des assemblages cristallins instables d’eau gelée formant des cages qui renferment notamment du méthane.

★ À maîtriser

• Le méthane est produit par thermométhanisation abiotique de la nécromasse lors de la diagenèse précoce, ou par biométhanisation réalisée par des archées méthanogènes strictement anaérobies.

Compléments

• Les archées méthanogènes peuvent produire du méthane en utilisant des acides organiques, du méthanol ou du CO₂ comme source de carbone.

• Après sa libération dans l’atmosphère, le méthane peut être oxydé de façon abiotique en CO₂ selon $\mathrm{CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow 2\,H_2O + CO_2}$.

• Les clathrates se forment à basse température et sous pression élevée, par exemple dans les sédiments océaniques à partir de 750 m de profondeur et en dessous de 10 °C.

• Le méthane des clathrates des sols et des sédiments océaniques est évalué à 10 000 Gt de carbone, avec une forte incertitude pour les fonds océaniques.

📖 5. Pompes océaniques du carbone

★ À maîtriser

• L’océan superficiel prélève du CO₂ atmosphérique par dissolution physique et par consommation biologique dans la zone photique.

• Le CO₂ se dissout dans l’eau selon $\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$ et le sens net des échanges dépend notamment du gradient de pression partielle entre l’air et l’eau.

• La précipitation biologique du CaCO₃ consomme indirectement du CO₂ atmosphérique, car elle mobilise des ions HCO₃⁻ dont la formation a prélevé du CO₂.

Compléments

• La dissolution du CO₂ est favorisée dans les eaux froides des hautes latitudes, tandis que le dégazage prédomine dans les eaux chaudes des basses latitudes.

• Aux pH courants des eaux douces continentales (6–8) et des eaux océaniques proches (environ 8), l’ion bicarbonate HCO₃⁻ est la forme carbonée dissoute majoritaire.

• Les coccolithophoridés du phytoplancton et les foraminifères du zooplancton produisent des tests carbonatés, constitués surtout de calcite.

📖 6. Altération et dégazage géologique

★ À maîtriser

• L’altération des roches carbonatées et silicatées constitue une pompe chimique du CO₂ atmosphérique.

• La fusion partielle de roches crustales ou mantelliques piégeant du CO₂ peut le libérer dans l’atmosphère et l’hydrosphère par le volcanisme.

Compléments

📐 Formule - L’altération d’un feldspath potassique en illite est représentée par $\mathrm{3\,Si_3AlO_8K + 14\,H_2O + 2\,CO_2 \rightarrow Si_3Al_3O_{10}(OH)_2K + 6\,Si(OH)_4 + 2\,K^+ + 2\,HCO_3^-}$.

📐 Formule - L’altération du silicate calcique CaMgSiO₃ peut produire des ions calcium, magnésium et bicarbonate selon $\mathrm{CaMgSiO_3 + 4\,CO_2 + 6\,H_2O \rightleftharpoons Ca^{2+} + Mg^{2+} + 4\,HCO_3^- + 2\,Si(OH)_4}$.

📐 Formule - Le métamorphisme du carbonate de calcium peut produire du pyroxène calcique et du CO₂ selon $\mathrm{CaCO_3 + SiO_2 \rightleftharpoons CaSiO_3 + CO_2}$.

💡 Astuce mémo

Altération prélève le CO₂ ; métamorphisme et volcanisme le restituent

📖 7. Flux et temps de résidence

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de résidence : Le temps de résidence est le temps passé par un élément dans un réservoir, estimé par le rapport entre la masse de cet élément dans le réservoir et la moyenne des flux entrants et sortants.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le temps de résidence s’écrit $\tau = \frac{M}{(F_e + F_s)/2}$, où $M$ est la masse du réservoir et $F_e$ et $F_s$ ses flux entrant et sortant.

📌 Un réservoir est à l’équilibre, ou en état stationnaire, lorsque ses flux entrants et sortants sont égaux, ce qui maintient sa masse constante.

• Les flux naturels de carbone sont contrastés : les flux liés aux processus de surface sont rapides, tandis que le métamorphisme, la fossilisation et la subduction sont très lents.

Compléments

📌 À flux importants, un réservoir de faible masse est plus réactif et potentiellement plus variable en cas de perturbation qu’un réservoir de grande masse.

📖 8. Cycle court du carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle court du carbone : Le cycle court du carbone est la circulation rapide du carbone entre l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère, principalement par assimilation et désassimilation.

📝 Points essentiels

• Le temps de résidence du carbone dans la biosphère est de quelques semaines à 5 ans, celui de l’atmosphère de quelques années et celui de la litière végétale de quelques mois.

• Le carbone du complexe argilo-humique peut avoir un temps de résidence de plusieurs milliers d’années.

• Une partie de la matière organique qui échappe à la minéralisation peut être fossilisée et rejoindre les réservoirs de kérogènes, de charbons ou de pétroles.

💡 Astuce mémo

CO₂ → biomasse → nécromasse → CO₂

📖 9. Cycle long et fossilisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle long du carbone : Le cycle long du carbone est la circulation lente du carbone, principalement sous forme oxydée, entre les réservoirs océaniques, crustaux et mantelliques, avec intervention de processus géologiques.

★ À maîtriser

• Le temps de résidence du carbone est de 200 à 100 000 ans dans les océans, d’environ 200 millions d’années dans les carbonates de calcium et d’environ un milliard d’années dans le manteau.

• La préservation de la matière organique sédimentaire est favorisée par : une forte productivité biologique, le confinement du milieu et le faible renouvellement des eaux, une faible porosité des sédiments, un enfouissement rapide par des apports terrigènes

Compléments

• La diagenèse transforme progressivement la matière organique fossilisée en kérogènes, puis le craquage du kérogène peut former des hydrocarbures.

• Les hydrocarbures sont distingués selon leur nombre d’atomes de carbone : les asphaltènes en comptent plus de 40, les huiles de 5 à 40 et les gaz moins de 5.

• La fenêtre de formation du pétrole se situe entre 60 et 100 °C, à une profondeur de quelques kilomètres qui dépend du gradient géothermique.

📖 10. Conservation des tests carbonatés

★ À maîtriser

• La CCD est la profondeur au-delà de laquelle le carbonate de calcium est thermodynamiquement susceptible de se dissoudre et où la sédimentation carbonatée disparaît généralement.

• Les tests d’aragonite se dissolvent vers 3 000 m de profondeur, tandis que ceux de calcite se dissolvent vers 4 000 m. - Jambon A, Thomas A., Géochimie, 2009

Compléments

• La conservation sous la CCD peut être favorisée par : une productivité planctonique abondante, un flux terrigène important accompagnant les tests, l’incorporation des tests dans les fèces d’organismes planctonophages

💡 Astuce mémo

Sous la CCD, les tests se dissolvent ; au-dessus, ils peuvent se conserver