Un minéral produit par la tectonique des plaques a un effet de refroidissement global

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Les géologues du MIT ont découvert qu’un minéral argileux du fond marin, appelé smectite, possède une capacité étonnamment puissante à séquestrer le carbone sur des millions d’années.

Au microscope, un seul grain d’argile ressemble aux plis d’un accordéon. Ces plis sont connus pour être des pièges efficaces pour le carbone organique.

Aujourd’hui, l’équipe du MIT a montré que les argiles qui piègent le carbone sont un produit de la tectonique des plaques : lorsque la croûte océanique s’écrase contre une plaque continentale, elle peut faire remonter à la surface des roches qui, au fil du temps, peuvent se transformer en minéraux, notamment en smectite. Finalement, les sédiments argileux se déposent dans l’océan, où les minéraux emprisonnent des morceaux d’organismes morts dans leurs replis microscopiques. Cela empêche le carbone organique d’être consommé par les microbes et rejeté dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone.

Pendant des millions d’années, la smectite peut avoir un effet global, contribuant ainsi à refroidir la planète entière. Grâce à une série d’analyses, les chercheurs ont montré que la smectite avait probablement été produite après plusieurs événements tectoniques majeurs au cours des 500 derniers millions d’années. Lors de chaque événement tectonique, les argiles ont piégé suffisamment de carbone pour refroidir la Terre et provoquer la période glaciaire qui a suivi.

Ces résultats sont les premiers à montrer que la tectonique des plaques peut déclencher des périodes glaciaires grâce à la production de smectite piégeant le carbone.

Ces argiles peuvent aujourd’hui être trouvées dans certaines régions tectoniquement actives, et les scientifiques pensent que la smectite continue de séquestrer le carbone, fournissant ainsi un tampon naturel, bien que lent, contre les activités humaines de réchauffement climatique.

« L’influence de ces minéraux argileux sans prétention a de vastes implications sur l’habitabilité des planètes », explique Joshua Murray, étudiant diplômé au Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT. « Il pourrait même y avoir une application moderne de ces argiles pour compenser une partie du carbone que l’humanité a rejeté dans l’atmosphère. »

Murray et Oliver Jagoutz, professeur de géologie au MIT, ont publié aujourd’hui leurs découvertes dans Géosciences naturelles.

Une argile claire et présente

La nouvelle étude fait suite aux travaux antérieurs de l’équipe, qui ont montré que chacune des principales périodes glaciaires de la Terre a probablement été déclenchée par un événement tectonique sous les tropiques. Les chercheurs ont découvert que chacun de ces événements tectoniques exposait à l’atmosphère des roches océaniques appelées ophiolites. Ils avancent l’idée que, lorsqu’une collision tectonique se produit dans une région tropicale, les ophiolites peuvent subir certains effets d’altération, tels que l’exposition au vent, à la pluie et aux interactions chimiques, qui transforment les roches en divers minéraux, dont des argiles.

« Ces minéraux argileux, selon les types que vous créez, influencent le climat de différentes manières », explique Murray.

À l’époque, on ne savait pas exactement quels minéraux pourraient résulter de cet effet d’altération, ni si et comment ces minéraux pourraient contribuer directement au refroidissement de la planète. Ainsi, même s’il semblait exister un lien entre la tectonique des plaques et les périodes glaciaires, le mécanisme exact par lequel l’une pouvait déclencher l’autre restait en question.

Avec la nouvelle étude, l’équipe a cherché à voir si le processus d’altération tectonique tropicale proposé produirait des minéraux piégeant le carbone, et en quantités suffisantes pour déclencher une ère glaciaire mondiale.

L’équipe a d’abord examiné la littérature géologique et compilé des données sur la manière dont les principaux minéraux magmatiques s’altèrent au fil du temps, ainsi que sur les types de minéraux argileux que cette altération peut produire. Ils ont ensuite utilisé ces mesures pour simuler l’altération de différents types de roches connues pour être exposées lors de collisions tectoniques.

« Ensuite, nous examinons ce qui arrive à ces types de roches lorsqu’elles se décomposent en raison des intempéries et de l’influence d’un environnement tropical, et quels minéraux se forment en conséquence », explique Jagoutz.

Ensuite, ils ont connecté chaque minéral « produit final » altéré dans une simulation du cycle du carbone terrestre pour voir quel effet un minéral donné pourrait avoir, soit en interagissant avec le carbone organique, comme des morceaux d’organismes morts, soit avec du carbone inorganique, dans sous forme de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

D’après ces analyses, un minéral avait une présence et un effet clairs : la smectite. Non seulement l’argile était un produit naturellement altéré de la tectonique tropicale, mais elle était également très efficace pour piéger le carbone organique. En théorie, la smectite semblait être un lien solide entre la tectonique et les périodes glaciaires.

Mais les argiles étaient-elles réellement présentes en quantité suffisante pour déclencher les quatre périodes glaciaires précédentes ? Idéalement, les chercheurs devraient le confirmer en trouvant de la smectite dans d’anciennes couches rocheuses remontant à chaque période de refroidissement global.

« Malheureusement, comme les argiles sont enfouies dans d’autres sédiments, elles cuisent un peu, nous ne pouvons donc pas les mesurer directement », explique Murray. « Mais nous pouvons rechercher leurs empreintes digitales. »

Une construction lente

L’équipe a estimé que, comme les smectites sont un produit des ophiolites, ces roches océaniques contiennent également des éléments caractéristiques tels que le nickel et le chrome, qui seraient préservés dans les sédiments anciens. Si les smectites étaient présentes dans le passé, le nickel et le chrome devraient l’être également.

Pour tester cette idée, l’équipe a consulté une base de données contenant des milliers de roches sédimentaires océaniques déposées au cours des 500 derniers millions d’années. Au cours de cette période, la Terre a connu quatre périodes glaciaires distinctes. En examinant les roches autour de chacune de ces périodes, les chercheurs ont observé de grandes pointes de nickel et de chrome et en ont déduit que de la smectite devait également être présente.

Selon leurs estimations, le minéral argileux aurait pu augmenter la préservation du carbone organique de moins d’un dixième de pour cent. Dans l’absolu, il s’agit d’une somme infime. Mais sur des millions d’années, ils ont calculé que le carbone accumulé et séquestré dans l’argile était suffisant pour déclencher chacune des quatre grandes périodes glaciaires.

« Nous avons constaté qu’il n’est pas vraiment nécessaire d’utiliser une grande quantité de ce matériau pour avoir un effet énorme sur le climat », explique Jagoutz.

« Ces argiles ont probablement également contribué au refroidissement de la Terre au cours des 3 à 5 derniers millions d’années, avant que les humains ne s’en mêlent », ajoute Murray. « En l’absence des humains, ces argiles font probablement une différence sur le climat. C’est un processus tellement lent. »

« Les travaux de Jagoutz et Murray sont une belle démonstration de l’importance de prendre en compte toutes les composantes biotiques et physiques du cycle mondial du carbone », déclare Lee Kump, professeur de géosciences à la Penn State University, qui n’a pas participé à l’étude. « Les rétroactions entre tous ces composants contrôlent les concentrations atmosphériques de gaz à effet de serre à toutes les échelles de temps, depuis l’augmentation et la diminution annuelles des niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique jusqu’aux fluctuations de la glacière à l’effet de serre sur des millions d’années. »

Les smectites pourraient-elles être exploitées intentionnellement pour réduire davantage les émissions mondiales de carbone ? Murray voit un certain potentiel, par exemple pour renforcer les réservoirs de carbone tels que les régions de pergélisol. On prévoit que le réchauffement des températures fera fondre le pergélisol et exposera le carbone organique enfoui depuis longtemps. Si des smectites pouvaient être appliquées à ces régions, les argiles pourraient empêcher ce carbone exposé de s’échapper et de réchauffer davantage l’atmosphère.

« Si vous voulez comprendre le fonctionnement de la nature, vous devez le comprendre à l’échelle des minéraux et des grains », explique Jagoutz. « Et c’est aussi la voie à suivre pour trouver des solutions à cette catastrophe climatique. Si vous étudiez ces processus naturels, il y a de fortes chances que vous tombiez sur quelque chose qui sera réellement utile. »

Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation.

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