Comment s'est formé le carbonate de calcium?

[ecolami]

Bonjour,
Habituellement on ne se préoccupe que des transformations du carbonate de calcium mais l'explication de sa formation reste bien vague.
Les questions précisément sont:
1°D'ou provient le Calcium qui a permis de former ces quantités absolument incroyables de calcaire et roches carbonatée?
2°Existe-t-il une explication sur cette formation qui ne soit pas biologique? Il faut un mécanisme capable de former des quantités très considérable. En effet la Terre a eu une atmosphère riche en CO2 avant que la photosynthèse ne déséquilibre tout. Je ne suis pas géologue mais chimiste, alors j'ignore si avant la photosynthèse il pouvait pleuvoir: si c'est le cas l'eau de pluie aurait été assez acide pour lixivier le calcium combiné a d'autres roches, ensuite le bicarbonate de calcium se serait décomposé en laissant du CaCO3 (comme dans les cavernes, par exemple).
3° Peut-on considérer aujourd'hui que la majorité du calcaire est d'origine non biologique et qu'une partie (importante) a simplement subit des transformations biologiques ultérieures.

Ces questions sont importantes a l'heure ou le niveau de CO2 augmente aussi lentement que sûrement. La fixation NETTE de CO2 par combinaison avec des ions Calcium ne provenant PAS de la dissolution de Calcaire est le seul moyen pérenne de se débarrasser du CO2.
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[Dr. Zoidberg]

Habituellement on ne se préoccupe que des transformations du carbonate de calcium mais l'explication de sa formation reste bien vague.

Je doute fort que les sédimentologues ne s'intéressent pas à la formation des roches carbonatées Ouvrez un bouquin ou un cours de sédimentologie et vous trouverez pleins d'informations sur les carbonates de calcium (et de magnésium aussi, tant qu'à faire), leur origine, leur formation...

1°D'ou provient le Calcium qui a permis de former ces quantités absolument incroyables de calcaire et roches carbonatée?

Comme pour d'autres ions majeurs dans l'eau, le Ca²⁺ provient surtout de l'altération des roches continentales, et de l'altération par hydrothermalisme au niveau des dorsales.

2°Existe-t-il une explication sur cette formation qui ne soit pas biologique?

Il suffit juste de saturer l'eau pour avoir précipitation chimique de carbonates. Par exemple, lors de l'évaporation d'une masse d'eau de mer, avant d'avoir précipitation d'évaporites (halite, gypse, sylvine...) il y a précipitation de carbonates.

Il faut un mécanisme capable de former des quantités très considérable.

Pour produire des quantités importantes, rien de tel que quelques centaines de millions d'années

j'ignore si avant la photosynthèse il pouvait pleuvoir

Je ne vois pas trop en quoi l'absence de photosynthèse pourrait empêcher le cycle de l'eau ??

3° Peut-on considérer aujourd'hui que la majorité du calcaire est d'origine non biologique et qu'une partie (importante) a simplement subit des transformations biologiques ultérieures.

Non, la majorité des roches carbonatées sont d'origine biologique. La calcite ou l'aragonite des tests, coquilles, squelettes, thèques d'êtres vivants est formée par précipitation. Ils ne transforment pas des minéraux déjà formés de manière chimique si c'est la question.

Ces questions sont importantes a l'heure ou le niveau de CO2 augmente aussi lentement que sûrement. La fixation NETTE de CO2 par combinaison avec des ions Calcium ne provenant PAS de la dissolution de Calcaire est le seul moyen pérenne de se débarrasser du CO2.

Le problème c'est qu'une augmentation de température entraine un relargage de CO2 par l'océan, ce qui ne facilite pas la précipitation.

[ecolami]

Bonjour,
Merci pour ces quelques précisions.
Si j'ai posé la question de la pluie avant la photosynthèse c'est que j'imagine que la température de l'atmosphère était plus élevée avec l'effet de serre. Je ne sais pas de combien. Une température plus élevée diminue la solubilité du CO2 dans l'eau. Le cycle de l'eau existait certes mais dans des conditions différentes.
Lorsque la pluie ruisselle sur une roche qui contient du calcium mais qui n'est pas du carbonate CaCO3 la dissolution est trés minime et l'eau de ruissellement ne contient jamais beaucoup de Calcium. Dans ces conditions il est étonnant que des masses immenses de carbonate aient pu se former. L'hydrothermalisme parait plus apte a fournir les quantités nécessaires.
Aujourd'hui on ne sait pas vraiment si la fixation du CO2 par des organismes marins est encore positive. En effet il y a des mécanismes biologiques qui redissolvent le CaCO3 en relarguant du CO2 et on sait que la teneur en CO2 de l'air augmente. Bien sûr la photosynthèse fixe des quantités énormes de carbone et il est difficile de faire un bilan précis.

[Almandin]

Si j'ai posé la question de la pluie avant la photosynthèse c'est que j'imagine que la température de l'atmosphère était plus élevée avec l'effet de serre. Je ne sais pas de combien. Une température plus élevée diminue la solubilité du CO2 dans l'eau. Le cycle de l'eau existait certes mais dans des conditions différentes.

La composition de l'atmosphère a pas mal varié au cours des temps géologique, mais la forte teneur en dioxyde de carbone ne concerne que la période située entre 4,3 et 3,5 Ga, soit bien avant la production des premières roches carbonatées, qui sont attestées vers la fin du Protérozoïque - début du Phanérozoïque (environ 600 - 500 Ma). Le Protérozoïque est d'ailleurs même parsemé de quelques épisodes dits de "Terre boule de neige" où de fortes périodes de glaciation ont affecté l'ensemble de la planète ; la dernière en date, celle du Cryogénien, serait dû à une importante altération de basaltes au moment de la dislocation du supercontinent Rhodinia qui a consommé une grande quantité de CO2 (l'altération des basaltes consomme 4 fois plus de CO2 que celle des roches carbonatées).

Lorsque la pluie ruisselle sur une roche qui contient du calcium mais qui n'est pas du carbonate CaCO3 la dissolution est trés minime et l'eau de ruissellement ne contient jamais beaucoup de Calcium. Dans ces conditions il est étonnant que des masses immenses de carbonate aient pu se former. L'hydrothermalisme parait plus apte a fournir les quantités nécessaires.

Les grandes masses de roches carbonatées que l'on voit un peu partout dans le monde ont été produites au cours des 450 derniers Ma, dans des zones peu profondes de mers et d'océans, à proximité des continents, donc là où les cours d'eau et les éléments qu'il transportent rejoignent l'océan. Et vu que la tranche d'eau est peu profonde, la saturation se fait plus rapidement ; bien sûr, l'hydrothermalisme associé aux dorsales joue aussi un rôle non-négligeable. Par ailleurs, le carbonate de calcium n'est stable qu'à une certaine profondeur dans l'océan ; au-delà de cette limite appelée CCD (située entre -2500 et -4000 m selon les endroits), il est dissous.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Dr. Zoidberg]

bien avant la production des premières roches carbonatées, qui sont attestées vers la fin du Protérozoïque - début du Phanérozoïque (environ 600 - 500 Ma).

Il y a quand même de nombreuses études sur des roches carbonatées bien plus anciennes que 600 Ma. On en trouve dès le début de l'Archéen (par exemple, il semble qu'il y en ait un peu dans les ceintures de roches vertes ou greenstone belts de cette période). D'ailleurs, dans les séquences sédimentaires des périodes de Snowball Earth dont tu parles, on identifie des niveaux de cap-carbonates.

[Tawahi-Kiwi]

Une température plus élevée diminue la solubilité du CO2 dans l'eau.

Durant l'Hadeen, la temperature est certes elevee, mais la pression atmospherique est egalement beaucoup plus elevee. La solubilite du CO₂ dans l'eau a 1 bar est de 3,5 g/kg; a 50 bar, c'est deux ordres de magnitude au dessus.
L'effet de temperature est presque negligeable compare a l'effet de la pression.

Lorsque la pluie ruisselle sur une roche qui contient du calcium mais qui n'est pas du carbonate CaCO3 la dissolution est trés minime

bof....le gypse et de nombreux autres mineraux se dissolvent (ou liberent Ca²⁺ plus facilement que la calcite dans l'eau... )

la forte teneur en dioxyde de carbone ne concerne que la période située entre 4,3 et 3,5 Ga, soit bien avant la production des premières roches carbonatées

Les metacarbonates (biogeniques?) sont quand meme presents a Isua (3.8 Ga), et de nombreux depots carbonates hydrothermaux et/ou sedimentaires se trouvent dans les greenstone belts archeennes.
La haute teneur en CO₂ atmospherique et la presence de carbonates est inversement correlee (notamment la presence de stromatolites), Il est difficile de considerer l'un independamment de l'autre (quoique la subuction de carbonates et le stockage dans les racines cratoniques n'est sans doute pas negligeable).

au-delà de cette limite appelée CCD

Il est probable qu'a l'Archeen, avec des oceans potentiellement satures en CO₂ avec des teneurs elevees, la CCD etait tres proche de la surface, les glaciations huroniennes et strutiennnes seraient alors des episodes favorables pour la production de carbonates par rapport aux autres periodes proterozoiques et archeenes... ....mais c'est de la geochimie oceanique ou mes connaissances sont limitees, sur une epoque dont je ne connais pas grand chose..., je ne sais pas a quel point cela est clairement defini actuellement.

T-K

[EDIT] crossing avec le homard [/EDIT]

[Almandin]

Les metacarbonates (biogeniques?) sont quand meme presents a Isua (3.8 Ga), et de nombreux depots carbonates hydrothermaux et/ou sedimentaires se trouvent dans les greenstone belts archeennes.

Je savais qu'il y avait des carbonates au Précambrien, mais j'avais oublié qu'il fallait remonter aux confins de l'Archéen. Merci de rafraîchir ma mémoire passablement défaillante ^^ .

[ecolami]

Bonsoir,
Je vous remercie d'apporter toutes ces informations!
J'ai lu par ailleurs que le calcaire pouvait aussi être entrainé par subduction dans les profondeurs. Dans ces conditions ils se décompose et serait a l'origine des émanations volcanique de CO2. Je n'avais pas pensé a cette possibilité.

[Tawahi-Kiwi]

J'ai lu par ailleurs que le calcaire pouvait aussi être entrainé par subduction dans les profondeurs. Dans ces conditions ils se décompose et serait a l'origine des émanations volcanique de CO2. Je n'avais pas pensé a cette possibilité.

Ce n'est pas vraiment du calcaire qui est forme dans ce cas la, mais c'est en effet le procede hydrothermal typique. Cela forme soit des veines de carbonates dans des roches encaissantes, soit une carbonatation de roche par metamorphisme (metasomatisme) de CO₂. Le volume entrant en jeu n'est pas aussi important que les carbonates biogeniques, mais il est non negligeable.
Reste les carbonatites, des magmas formes de carbonates par fusion d'un manteau riche en CO₂, mais ils sont exceptionels.

T-K

[Almandin]

Reste les carbonatites, des magmas formes de carbonates par fusion d'un manteau riche en CO₂, mais ils sont exceptionels.

Il me semble par ailleurs que les carbonatites sont plutôt associées à un volcanisme de type rift ou à des complexes ultra-basiques, donc pas vraiment compatibles avec du volcanisme de subduction.

En revanche, le carbone de la croûte subduite serait à l'origine de la formation de diamants lors du métamorphisme d'ultra-haute pression pendant la subduction.

[Tawahi-Kiwi]

En effet,

Mais la formation du manteau sub-continental lithospherique (SCLM) metasomatisé necessite l'introduction d'éléments qui ne peuvent etre fourni que par des zones subductées. Une partie non negligeable du SCLM sont des morceaux de slabs eclogitisés et de coin mantellique metasomatisés qui sont accretés sur la racine cratonique plusieurs centaines de millions d'annees auparavant. La nature du panache mantellique initiant le rifting peut également jouer.

T-K

[ecolami]

En effet,

Mais la formation du manteau sub-continental lithospherique (SCLM) metasomatisé necessite l'introduction d'éléments qui ne peuvent etre fourni que par des zones subductées. Une partie non negligeable du SCLM sont des morceaux de slabs eclogitisés et de coin mantellique metasomatisés qui sont accretés sur la racine cratonique plusieurs centaines de millions d'annees auparavant. La nature du panache mantellique initiant le rifting peut également jouer.

T-K

Ces termes s'adressent naturellement a un CHIMISTE venu poser des questions a des spécialistes en géologie. J'ai fait des recherches pour déchiffrer tout ça et j'ai sans doute compris de quoi il s'agissait.

[Tawahi-Kiwi]

Cela s'adressait plutot a Almandin

En gros, les zones de subduction sont les endroits ou la plaque oceanique passe (dans ce cas-ci) sous un continent. La plaque oceanique est essentiellement du basalte alteré mais peut contenir une partie non negligeable de sediments entre autre carbonatés.
Entre 50 et 150km de profondeur, une serie de reactions ont lieu (metamorphiques) qui transforment ces roches (en eclogites) et une partie des elements (entre autres, l'eau et le CO₂) peut finir dans le manteau qui est coincé entre la plaque subductée et la plaque continentale en surface.
Eventuellement, (trop compliqué pour entrer dans le detail), cette subduction s'arrete et laisse ces roches la en plan, sous la croute continentale.


Credit: Oregon State University

La cratonisation est une consequence du refroidissement tres lent du manteau present sous les continents. Alors que la croute continentale ne fait que quelques dizaines de kilometres d'epaisseur, la lithosphere (qui contient croute + manteau refroidit/cassant) peut faire plusieurs centaines de kms et incorporer ces roches subductées mentionées juste avant.

Si un rift (comme le rift est-africain) a lieu, du manteau profond (au travers d'un point chaud) permet un rechauffement du manteau reffroidit. Cela permet la fusion des éléments les plus "exotiques" dans ce manteau.
Lorsque les magmas formés atteignent la surface, on obtient du volcanisme assez étrange dont les extremes sont: ultra-alcalins (magma extrement riche en Na, Ca (nephelinites, mellilites)), ultra-potassique (kimberlites, orangeites, lamproites), carbonatés (carbonatites) ou meme phosphatés (phoscorites))


Credit: Oregon State University

T-K

[ecolami]

Bonjour,
MERCI pour ces explications qui sont plus accessibles a un non-géologue!