TD GEOCHIMIE L2-STE

TD N°1 : Cycle du carbone et isotopes

Exercice 1 Construire le cycle du carbone

- Identifiez les différents réservoirs de carbone sur Terre. Sous quelle(s) forme(s) le carbone y est-il présent ?

Réponses : Atmosphère, kérogène, biomasse, sols, carbonates, océan

- Quelle est leur importance relative? Quantifiez les à l’aide des données ci dessous ?

En g de carbone 720 1015 # 36000 1015 # 50000 1018 # 500-800 1015 # 1500 1015 # 13000 1018

Réponses :Atmosphère. 720 1015 g de carbone Océan. 720 1015 g de carbone Carbonates. 50000 1018 g de carbone Notions de calcite, d’aragonite, de dolomite, de sédiment, de calcaire ou roche calcaire.Biomasse. C’est l’ensemble des êtres en Vie. Attention : la définition donnée ici n’est pas la seule possible pour la biomasse. D’autres définitions incluent la biomasse telle qu’elle est définie ici plus tous ses produits dérivés. Dans le cadre de ce cours, on utilisera la définition donnée ici.500-800 1015 g de carbone Forme chimique essentielle : polysaccharides, protéines, lipides. Formule pas évidente à déterminer. On peut proposer une formule moyenne et approximative : C100H200O100N15P On symbolise souvent cette composition par CH2O Incertitude sur la masse de la biomasse. Par exemple, biosphère profonde dans la croûte. Matière organique des Sols1500 1015 g de carbone Matière organique pas très différente de la biomasse On symbolise souvent cette composition par CH2O.Kérogènes : carbone réduit dans les roches (charbon, pétrole etc.. mais aussi matière organique diffuse). Ce terme de “kérogène” est assez impropre mais il est souvent utilisé en ce sens en géochimie 13000 1018 g de carbone Forme chimique essentielle : Matière organique C100H200O1(exemple de pétrole), C100H50O4N2

(exemple de charbon). On la symbolisera par CH

Notions chimiques de carbone oxydé (atmosphère, océan, carbonates) et de carbone réduit (notion de matière organique : biomasse, matière organique des sols, kérogènes).

Quels échanges pouvez-vous imaginer entre ces différents réservoirs? Quelles sont les processus associés ?

Réponses :De l’atmosphère vers la biomasse (continentale et océanique) Production primaire : photosynthèse

CO2 + H2O --> CH2O + O2

100 1015 g de carbone/an

De la biomasse et des kérogènes vers l’atmosphère. Respiration + combustion

CH2O + O2 --> CO2 + H2O La respiration est une oxydation de la matière organique en CO2.

De la biomasse et des sols vers les kérogènes. Sédimentation organique et maturation de la matière organique2 CH2O --> 2 CH + H2O + 1/2O2

Cela symbolise la maturation de la matière organique De l’ordre de 0.1 1015 g de carbone/an

Le ménage à 3 atmosphère-océan-carbonatesNotion d’équilibre des carbonates – constante thermodynamique (coef de saturation et température)

Représenter le cycle du carbone de manière schématique ?

Réponses :Envoyer un étudiant au tableau après quelques minutes et corriger pour tout le monde

PS : Anthony Il faut rajouter le manteau dans le cadre du cycle à long terme (temps résidence du C dans le manteau = 3.5 Ga tu peu les faire réfléchir la dessus cycle court Vs cycle long …

Exercice 2 Réservoirs et isotopes

- Rappeler la définition du 13C ? Quel standard ?

- Comment connaître la composition isotopique (quel technique, quels échantillons) ?

Spectromètre de masse isotopique.Océan = mesurer le DIC (RQ au pH actuel principalement HCO3-), mesurer les carbonates, mesurer la MO et échantillonner le manteau (gaz volcanique/diamant)

- En utilisant les documents compléter le cycle du carbone avec la valeur isotopique des différents réservoirs ?

Fig.1 : Carbon isotopic evolution of marine carbonate based on published analyses of limestones (circles), dolostones (triangles), and Phanerozoic calcitic fossils from Veizer et al. [1999]. Poorly time-constrained samples (greater than ±50 Ma) are shown as open symbols.

Fig. 2 : Carbon isotopic evolution of OM between 4.0 and 2.0 Ga. (Thomazo et al., 2009).

Fig. 3 : Carbon isotope diagramm of volcanic gazes and diamonds. (Deines, 2002).

RQ : ce schéma permet en connaissant le fractionnement, isotopique entre les réservoirs de calculer la composition isotopique du DIC (principalement HCO3- au pH de l’océan).

Tu peu en plus de compléter le schéma au tableau donner ce DOC

Exercice 3 La précipitation des carbonates un problème de source !

- Ecrire l’équilibre des carbonates ?

2 HCO3 - + Ca++̵̵̵ ↔ CO2 + CaCO3 + H2O

- Ecrire la réaction de photosynthèse ?

CO2 + H2O → CH2O + O2

- Observer la figure et en s’aidant des équations proposé un mécanisme qui relie précipitation des carbonates et activité biologique ?

Effet chimique tire la réaction vers la précipitations des carbonates – déplace l’équilibre

Plus un effet physique de piégeage dans les EPS (pas vue ici)

Le tout = précipitation bio-lithogénique

Quelle est la source isotopique des carbonates dans cette réaction ? D’après la figure 4 quelle sera la composition isotopique du carbonate ?

DIC (HCO3-), 13Ccarb=1 ‰

Commenter la figure ci dessous ? Quelles sont les sources possibles de carbone ?

Isotopic composition of the different authigenic carbonate types, all with négative carbon isotopic values.

Respiration source = MO notion de diagènes précoce, méthane cf. fin snow ball ……

Conclusion isotope peu tracer les sources et les processus

Exercice 4 Bilan de masse et évolution séculaire du cycle du carbone

En faisant l’approximation qu’à un moment donné de l’histoire de la Terre, tout le carbone entrant (volcanisme) est transformé soit en kérogène soit en carbonate, on peut écrire l’équation de bilan massique et isotopique suivante :13C magmatique = f0 13Corg+(1-f0) 13Ccarbonates f0 étant la fraction de carbone stockée sous forme de matière organique.

- Si il n’y a pas de vie quelle sera la valeur des carbonates ?

Au début, s’il n’y avait pas de production de matière organique on s’attend à ce que le 13C des carbonates soit de -5‰.

- Décrire la figure 5 ? Quelle implication sur la taille des réservoirs dans le cycle du carbone ?

Description de l’enregistrement : Au premier ordre, le 13C des carbonates tourne autour de 0‰ depuis 3.5 Ga. Le 13C de la matière organique est beaucoup plus dispersé, tout en étant en moyenne assez constant autour de -25‰. (Pour les excursions ponctuelles cf. CM) d’après le bilan de masse isotopique on a donc une répartition 1/3 – 2/3 depuis 3.5 Ga !Ces proportions n’auraient pas varié depuis 3.5Ga. Ce qui est assez étonnant en soit au vu de l’évolution de la biosphère et des modes et lieu de précipitation des carbonates depuis 3.5Ga.Attention ces proportions ne donnent pas d’indication sur la quantité de matière organique fossilisée, mais sur sa proportion relative !

Conclusion isotope peu tracer la taille des réservoirs

Exercice 5 Et dans l’espace ……

Fig. 5 Compostions isotopique (13C) de plantes en C3 et en C4 (droite) et variation du signal isotopique pour une séquence forêt-savane (Inde) (Gauche).

Sachant que les plantes en C3 sont des herbacées et en C4 des arbres qu’elle sera en moyenne le 13C d’un sol de praire et d’un sol de forêt ? (Aidez vous de la figure de droite) ?

Que peu on dire sur l’évolution a long terme de la limite forêt-savane en Inde d’après la figure de droite ?

(P.S. : plus on s’enfonce dans le sol plus on recule dans le temps !!)