Respiration géologique de la chaîne de montagne de Taiwan

À la surface de la Terre, particulièrement dans les jeunes chaînes de montagne, affleurent des roches sédimentaires riches en matière organique fossile pouvant s'oxyder au contact de l'air en libérant du gaz carbonique (CO2) dans l'atmosphère. Les quantités de CO2 ainsi émises étant encore inconnues à l'échelle globale, des chercheurs de l'Université de Durham (Royaume-Uni) et de l'Institut de physique du globe de Paris ont analysé cette "respiration géologique", sur l'île de Taiwan, en utilisant une méthode novatrice. Ils viennent ainsi de montrer qu'à l'échelle de cette chaîne de montagne, la quantité de CO2 ainsi libérée est importante même si elle reste en deçà de la quantité de carbone organique perdue par les écosystèmes actuels, par érosion des sols, puis transport par les fleuves et enfouissement en mer. Taiwan respire donc bien mais consomme néanmoins plus de CO2 qu'elle n'en rejette.

Les sols contiennent de la matière organique formée récemment, laquelle provient de végétaux morts qui, pour croître, avaient consommé par photosynthèse du CO2 atmosphérique. Les pluies qui lessivent ces sols entrainent avec elles cette matière organique jusqu'aux fleuves, sous forme dissoute (érosion chimique) ou particulaire (érosion physique). Les fleuves la transportent ensuite jusqu'à l'océan, où elle est enfouie dans les sédiments marins, d'où elle ne pourra être exhumée que lors d'un soulèvement de la croûte terrestre, suite à des mouvements tectoniques. Cette exportation de matière organique des bassins versants conduit à une perte nette de carbone, d'azote et de nutriments par les écosystèmes terrestres.

À cette séquestration de carbone organique s'ajoute une séquestration de carbone minéral, qui consiste en la neutralisation du CO2 sols par les roches, laquelle conduit à la formation de bicarbonates, également transportés ensuite par les eaux de pluie et les fleuves jusqu'à l'océan où ils sédimentent sous forme de calcaires.

En conduisant à la séquestration dans les sédiments marins du carbone initialement présent dans l'atmosphère sous forme de CO2, ces deux mécanismes ont joué un rôle purificateur dans l'histoire de la Terre qu'ils ont ainsi contribué à rendre habitable.

Toutefois, à la consommation de CO2 atmosphérique que représente la séquestration du carbone dans l'océan peut s'opposer un flux inverse dû à l'oxydation de la matière organique sédimentaire fossile. À la surface de la Terre en effet, et particulièrement dans les jeunes chaînes de montagne, affleurent parfois des roches sédimentaires riches en carbone organique provenant de très anciennes formes de vie. Et lorsque ces roches anciennes se trouvent exposées à l'oxygène de l'air, la matière organique fossile qu'elles contiennent est susceptible de s'oxyder et ainsi de libérer du CO2 dans l'atmosphère tout en consommant de l'oxygène: c'est ce que l'on appelle la "respiration géologique".

Or, il reste aujourd'hui difficile d'estimer ce flux de CO2 vers l'atmosphère, le CO2 étant émis de manière diffuse et à de faibles concentrations.

Pour contourner ce problème, une équipe de chercheurs comprenant des chercheurs de l'IPGP a eu l'idée de mesurer, dans les eaux de rivière, un élément très rare sur Terre, de la famille des platinoïdes: le rhénium (Re, numéro atomique 75). Le rhénium possède en effet la propriété d'avoir une grande affinité pour la matière organique. Ainsi, au cours de l'histoire de la Terre, lorsque la matière organique issue des continents s'est déposée en mer, elle a fixé du rhénium marin qui a évolué ensuite avec elle, lors de son enfouissement puis de son exhumation sur les continents. La matière organique fossile actuelle contient donc du rhénium.

Les chercheurs ont mené leurs investigations dans les rivières de l'île de Taiwan, car cette île est constituée de roches sédimentaires riches en matière organique fossile et connaît une érosion intense du fait de ses fortes pentes et de précipitations soutenues.

Bien que le rhénium dissous dans les rivières soit très faiblement concentré (de l'ordre de 10-11-10-12 mol/l), les chercheurs sont parvenus à monter qu'il provient de l'oxydation de la matière organique fossile, et que celle-ci représente une source de CO2 vers l'atmosphère d'environ 0,37x1012 gC/an à l'échelle de l'île.

La corrélation observée entre la teneur en rhénium des rivières et la quantité des sédiments qu'elles transportent et qui sont issus de l'érosion physique des reliefs suggère que l'oxydation de la matière organique fossile des roches sédimentaires à Taiwan est contrôlée par l'érosion physique. Il semble donc qu'en mettant à jour de nouvelles surfaces pouvant réagir au contact de l'air, l'érosion physique, dont le mode dominant à Taiwan est le glissement de terrain, entretienne l'oxydation de la matière organique fossile et le dégazage de CO2 vers l'atmosphère qui en résulte, et ce même quand elle est intense. Ceci prouve que la vitesse d'oxydation de la matière organique fossile est rapide et de ce fait probablement contrôlée par la vie bactérienne.

Il ressort également de ces travaux que le flux net de consommation de CO2 atmosphérique résultant de la séquestration de carbone organique récent est d'environ 0,55x1012 gC/an pour cette île de 36000 km2, championne du monde de l'érosion mécanique. In fine, l'oxydation de la matière organique fossile ne compensant pas l'enfouissement du carbone organique moderne dans les dépôts marins, la chaîne taiwanaise reste, dans les conditions actuelles, un puits de CO2 atmosphérique.

Cette étude, qui demande à être étendue à d'autres contextes écosystémiques et géologiques, démontre l'importance des transferts de matière organique par les fleuves. Sachant que l'augmentation des températures et des précipitations tropicales engendrée par le réchauffement climatique risque d'augmenter l'érosion physique des reliefs et ainsi d'influencer le couple oxydation de matière organique fossile et enfouissement de carbone organique moderne, il s'avère urgent de mieux comprendre l'ensemble des processus impliqués.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet OXYMORE financé par le programme national EC2CO.