Géochimie

La géochimie applique les outils et concepts de la chimie à l'étude de la Terre et des sédiments. Dans une certaine mesure, des échantillons sont accessibles à l'investigation chimique. En ce qui concerne la Terre, cette discipline a pour objectif la connaissance des cycles par lesquels la plupart des éléments chimiques sont conduits alternativement en surface et en profondeur au sein de la Terre. Liée à la cosmochimie, elle s'intéresse aux processus de formation planétaires et intraplanétaires, notamment par l'étude des météorites. S'agissant du sédiment, la géochimie étudie les phénomènes chimiques qui se déroulent de l'interface eau-sédiment à la profondeur du sédiment lui-même.

La Géochimie c'est quoi ?

La géochimie s'occupe de l'étude de la répartition des éléments chimiques (et de leurs isotopes), et des lois de leur comportement chimique dans les constituants de la Terre et du Système solaire. Elle comporte l'étude des roches et des sédiments qui constituent la Terre solide, les météorites et matériaux extra-terrestres, ainsi que les fluides des océans, des mers, des eaux souterraines et de l'atmosphère. La géochimie s'occupe donc de l'étude du mouvement ou flux des éléments chimiques à travers les solides et fluides de la Terre. En tant que Science, cette branche de la géologie comporte aussi bien un aspect fondamental qu'appliqué. Certains géochimistes étudient les matériaux terrestres pour comprendre le fonctionnement du système Terre et les principes qui régissent ce système. La géochimie a ainsi contribué d'une manière remarquable à la compréhension de divers processus tels que la convection mantellique, la formation des planètes ou l'origine des roches magmatiques telles les granites et basaltes.

D'autres géochimistes utilisent les principes et méthodes de la géochimie à des fins appliqués, par exemple pour la recherche des substances minérales et énergétiques, ou pour la décontamination des sols et des eaux pollués.

Le cycle du soufre

de soufre sous la forme de SO42-. Quand SO4 est assimilé par les organismes, il est réduit et converti en soufre organique qui est un élément essentiel des protéines. Comme dans le cas de l’azote, les réactions microbiennes sont déterminantes dans le cycle du soufre.

Le cycle du phosphore

Comme dans le cas de l’azote (N), le phosphore (P) est important pour la Vie puisqu’il est essentiel à la fabrication des acides nucléiques ARN et ADN. On le retrouve aussi dans le squelette des organismes sous forme de PO4. Dans la Terre primitive, tout le phosphore se trouvait dans les roches ignées. C’est par l’altération superficielle de ces dernières sur les continents que le phosphore a été progressivement transféré vers les océans. On a calculé qu’il a fallu plus de 3 Ga (milliards d’années) pour saturer les océans par rapport au minéral apatite [Ca5(PO4)3OH], un phosphate. Le cycle du phosphore est unique parmi les cycles biogéochimiques majeurs: il ne possède pas de composante gazeuse, du moins en quantité significative, et par conséquent n’affecte pratiquement pas l’atmosphère. Il se distingue aussi des autres cycles par le fait que le transfert de phosphore (P) d’un réservoir à un autre n’est pas contrôlé par des réactions microbiennes, comme c’est le cas par exemple pour l’azote.

Le cycle de l'azote

On a vu que la vie sur terre influence profondément la compositon de l’atmosphère en produisant du dioxyde de carbone CO2 et du méthane CH4 à travers les processus de la respiration et la fermentation reliés au recyclage du carbone. La Vie a aussi influencé la composition de l’atmosphère à travers le recyclage d’un autre élément, l’azote (N). Ce gaz est le premier en importance dans l’atmosphère terrestre (78%). Il s’y trouve sous sa forme moléculaire normale diatomique N2, un gaz relativement inerte (peu réactif). Les organismes ont besoin d’azote pour fabriquer des protéines et des acides nucléiques, mais la plupart ne peuvent utiliser la molécule N2. Ils ont besoin de ce qu’on nomme l’azote fixée dans lequel les atomes d’azote sont liés à d’autre types d’atomes comme par exemple à l’hydrogène dans l’ammoniac NH3 ou à l’oxygène dans les ions nitrates NO3-. Le cycle de l’azote est très complexe; le schéma suivant en présente une simplification.

Le cycle de l'oxygene

Un cycle géochimique essentiel à la Vie sur terre est en grande partie contrôlé par l'océan. Il s'agit du cycle de l'oxygène libre (O2). Si la vie a pu se maintenir et proliférer à la surface du globe, c'est qu'elle a inventé un mécanisme de défense contre ce poison violent pour elle qu'est l'oxygène, ainsi que la capacité d'exploiter cette ressource. Ce mécanisme, c'est la respiration. En même temps qu'elle inventait ce mécanisme, elle en devenait dépendante.

Le cycle du carbone

L'hydrogène (H), l'hélium (He), l'oxygène (O) et le carbone (C) sont, dans l'ordre, les éléments les plus abondants dans le cosmos. Sur Terre cependant, ce sont l'oxygène et le silicium qui dominent, le carbone venant en quatorzième place seulement.

Le cycle de l'eau

Les planétoïdes, comètes et astéroïdes qui ont formé la planète Terre par leur accrétion contenaient toute l’eau de notre planète. Après cette accrétion, qui s'est terminée il y a 4,55 Ga (milliards d’années), la Terre a connu une période intense de dégazage qui a libéré l’eau sous forme de vapeur par l’intermédiaire des volcans. Aussi longtemps que la température terrestre s’est maintenue au-dessus de 100 °C, cette vapeur fut gardée dans l’atmosphère, créant un effet de serre important. Quand la température est descendue sous les 100 °C, la vapeur atmosphérique a condensé pour former les océans. On ne sait trop quand ceux-ci sont apparus, mais on a des évidences de la présence des océans il y a quelques 3,8 Ga comme en témoignent les premières roches sédimentaires, des roches qui nécessitent la présence d’eau pour se former (altération de massifs rocheux, érosion, transport et dépôt des particules, comme nous l'avons vu au point 2.2.2). Une faible quantité de vapeur d’eau est demeurée dans l’atmosphère, suffisamment pour maintenir un certain niveau d’effet de serre (avec le CO2 venant aussi des volcans) sans lequel notre planète serait une boule de glace. Cela explique aussi que la lithosphère et l’asthénosphère contiennent un immense volume d’eau.