Les quantités de gaz carbonique dans l'atmosphère et l'océan sont contrôlées par le cycle du carbone, qui dépend de plusieurs paramètres. Les données provenant des émissions de ce gaz à effet de serre au niveau des arcs volcaniques suggèrent qu'il faut revoir l'influence des volcans sur ce cycle du carbone et sur l'habitabilité de la Terre sur de grandes échelles de temps.

au sommaire

    Le cycle du carbone est probablement le plus important cycle géochimique pour la vie sur Terre, à égalité avec le cycle de l'eau. Il est possible de s'en convaincre en comparant la Terre à VénusVénus. Sans le gaz carboniquegaz carbonique dans son atmosphère, la température de notre planète serait trop basse et l'eau serait en grande partie sous forme de glace. C'est l'effet de serre du CO2 qui a donc permis aux océans d'exister. A contrario, le gaz carbonique dans l'atmosphère de Vénus est tellement abondant qu'il fait de cette planète, pourtant située dans la zone d'habitabilitézone d'habitabilité, un enfer. En cause, un effet de serre qui se serait emballé, provoquant l'évaporation de l'eau et rendant du coup impossible la formation de calcaire marin. Or, ce dernier piège le gaz carbonique. Il est ainsi intéressant de découvrir, par le calcul et la mesure, que la quantité de gaz carbonique piégé sur Terre sous forme de sédiments carbonatés est de l'ordre de grandeurordre de grandeur de la quantité de gaz carbonique présent sur Vénus (dans les deux cas, ce carbonecarbone a été laissé par la formation de ces planètes dans le disque protoplanétairedisque protoplanétaire à l'origine du Système solaireSystème solaire).

    Il existe une autre différence entre la Terre et Vénus qui ne doit peut-être, là non plus, rien au hasard : la Planète bleuePlanète bleue a une tectonique des plaques alors que l'étoile du Bergerétoile du Berger n'en a pas. La disparition de l'eau vénusienne pourrait avoir paralysé une possible tectonique des plaques. En effet, le fonctionnement de cette dernière dépend de la subduction de plaques contenant des sédiments hydratés. Or, le cycle des roches associé à cette tectonique influerait également sur le cycle du carbonecycle du carbone en jouant le rôle d'un thermostatthermostat contre un emballement de l'effet de serre sur de grandes échelles de temps. L'évaporation des océans de Vénus aurait donc conduit à un cercle vicieux, bloquant une tectonique des plaques.


    Le Tolbatchik, un volcan de Russie situé dans la péninsule du Kamtchatka. En 2012, il a craché des coulées de lave très fluides parcourant jusqu'à vingt kilomètres tandis que des panaches volcaniques ont émis des pluies de cendre jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres de distance. © Anton Moscow Russia

    Les volcans, la tectonique des plaques et le cycle du carbone

    Pour comprendre l'origine du cycle du carbone à grande échelle, il faut savoir que les volcansvolcans émettent du gaz carbonique et, donc, peuvent provoquer un effet de serre si la quantité de gaz injecté dans l'atmosphère devient trop élevée. Toutefois, ce gaz carbonique peut se trouver dissous dans l'océan, ce qui contribue à le retirer de l'atmosphère ; il peut même s'y retrouver piégé sous forme de carbonates. Entre en jeu également le fait que, selon la température et le contenu en CO2 de l'atmosphère, l'érosion des roches sur les continents est plus ou moins importante, ce qui consomme du gaz carbonique avec l'altération des granitesgranites et des basaltesbasaltes ou, au contraire, en libère avec la destruction de sédiments calcaires carbonatés. La tectonique des plaques, en retour, conduit à l'enfouissement par subduction des plaques océaniques contenant des sédiments, ce qui, au final, injecte du carbone dans le manteaumanteau, celui-ci pouvant ressortir un jour par les volcans.

    Il y a donc toute une série de boucles de rétroactionsboucles de rétroactions qui libèrent ou enlèvent du gaz carbonique dans l'atmosphère et qui opèrent à des échelles de temps différentes. La part du cycle du carbone liée à la vie elle-même se fait à une échelle beaucoup plus courte et le carbone que la tectonique des plaques pourrait retirer de l'atmosphère ne s'enfonce dans le manteau qu'à une vitessevitesse trop lente pour pouvoir contrer l'action du gaz carbonique produit par l'humanité.

    La conjonctionconjonction de tous ces phénomènes aide à rendre la Terre habitable et agit donc, en quelque sorte, comme un thermostat. Pour comprendre le climatclimat passé de la Terre, et donc son évolution et celle de la biosphèrebiosphère, il est nécessaire de bien comprendre le rôle du volcanismevolcanisme et de la tectonique des plaques dans le cycle du carbone. Des éruptions volcaniqueséruptions volcaniques massives ont ainsi pu provoquer un effet de serre ayant permis à la Terre de sortir d'un épisode de glaciationglaciation comparable à celui du Cryogénien. Au contraire, de telles éruptions ont pu contribuer à une extinction massive, comme ce fut le cas avec la formation des trapps du Deccan au CrétacéCrétacé.


    Situé à 965 km au sud-ouest d’Anchorage, en Alaska, le célèbre volcan Pavlov est l’un des plus actifs de l’archipel des Aléoutiennes, des îles volcaniques. Culminant à 2.519 mètres d’altitude, il est entré en éruption en 2016, comme ces images le montrent, crachant des cendres à plusieurs milliers de mètres d’altitude. Il avait déjà connu quarante autres éruptions. © ABC Television Stations

    Le gaz carbonique des arcs volcaniques ne vient pas du manteau

    C'est dans ce contexte qu'il faut replacer le travail d'une équipe de géochimistes de l'université de Cambridge qui vient d'être publié dans le journal Science. Marie Edmonds et ses collègues, Emily Mason et Alexandra Turchyn, se sont intéressées aux isotopesisotopes de l'hélium et du carbone trouvés dans les gaz volcaniques. Leurs rapports d'abondance sont de bons indicateurs de l'origine et de la provenance du gaz carbonique ; ils permettent de savoir s'il s'agit d'une source organique ou inorganique et à quelle profondeur celle-ci se situe.

    Les chercheuses se sont basées sur les données accumulées dans la littérature scientifique concernant les arcs volcaniquesarcs volcaniques. Ces derniers sont des séries de volcans alignés sous forme d'arcs et qui prennent naissance quand une plaque océanique plonge sous une autre plaque. Lorsqu'il s'agit d'une autre plaque océanique, on obtient même une série d'îles volcaniques formant un archipelarchipel. L'un des plus célèbres est celui des îles Aléoutiennes situé dans le sud-ouest de l'Alaska. Il est composé de 300 îles volcaniques, fortement sismiques et comportant 57 volcans, s'étirant entre la péninsulepéninsule d'Alaska en Amérique du Nord, à l'est, et le Kamtchatka, en Asie, à l'ouest. L'archipel provient de la subduction de la plaque pacifique sous la plaque nord-américaine.

    On savait que la subduction des plaques océaniques injectait en profondeur dans le manteau des sédiments carbonatés. On savait aussi qu'une partie de ces sédiments pouvait ne pas plonger aussi profondément et se retrouver simplement dans, ou sur, la croûte terrestrecroûte terrestre. Mais, jusqu'à présent, il était considéré que le carbone injecté dans le manteau se retrouvait dans les gaz volcaniques. Ainsi, le bilan global de son cycle, sur plusieurs dizaines, voire centaines, de millions d'années, devait être à l'équilibre. Or, il semble bien qu'en analysant correctement les données, on arrive à la conclusion que le carbone libéré par les arcs volcaniques, qui sont très actifs, soit en grande partie du carbone provenant de calcaires qui n'ont pas été injectés dans le manteau mais qui ont été fondus dans, ou sur, la croûte par des remontées de magmamagma. Une partie du cycle du carbone conduirait donc celui-ci à s'accumuler dans le manteau.

    Cette conclusion ne vaut que pour le régime de tectonique des plaques actuel, où il existe beaucoup de zones de subductionzones de subduction. Lorsque des supercontinents se brisent, l'activité volcanique est copieuse mais sous forme d'arcs volcaniques continentaux, dont on a des raisons de penser qu'ils sont alimentés par du magma venant des profondeurs du manteau. Le bilan du cycle du carbone lié au volcan, tout comme son influence sur le climat et la biosphère, doit donc être révisé. Il doit probablement varier en fonction du ballet des continents d'une façon qui n'avait pas encore été envisagée jusqu'ici.