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mercredi 28 mai 2014

pH océanique

Les océans Archéens ont très probablement été acides. Cette hypothèse repose sur le fait que l’océan primitif était en équilibre avec une atmosphère composée principalement de CO2. Aujourd’hui, le pH des océans se trouve contrôlé par la dissolution et la reprécipitation du carbonate de calcium CaCO3 et par la fugacité du dixoyde de carbone CO2 de l’atmosphère comme indiqué dans la figure suivante :


Comme on peut le voir, l’océan est devenu basique avec un pH actuel de 8,2 que depuis 2 milliards d’années avec une valeur initiale de la pression de CO2 voisine de 10 bars. Durant l’Hadéen, le niveau de CO2 était nettement supérieur à cette valeur (40-210 bars) entraînant un contrôle direct du pH de l’océan par la carbonatation de la croûte océanique plutôt que par la précipitation des carbonates. Des modèles thermodynamiques plus sophistiqués sont donc nécessaires pour prédire la valeur du pH des océans Hadéens. En considérant les réactions de carbonatation suivantes pour la croûte océanique:

CaSiO3 + H2O → Ca2+ + 2 HCO3- + SiO2
Ca2+ + 2 HCO3- → CaCO3 + H2CO3

On voit donc que le pH des océans est contrôlé directement par la pression partielle de CO2. Pour des températures initiales voisines de 200-230°C, on obtient une gamme de pH comprise entre 4,8 et 6,5, confortant l’idée d’océans acides durant l’Hadéen.
Un modèle alternatif des océans Hadéens peut être proposé à tenant compte de l’existence de lacs de soude dans le rift de l’Afrique de l’Est. Pour un tel modèle saturé en carbonate de sodium de type thermo-natrolite (Na2CO3·H2O, on aurait un océan alcalin présentant un pH compris entre 9 et 10,5. Cette thermo-natrolite aurait pu être produite par l’altération de roches riches en sodium selon les réactions:

2 NaAlSi3O8 + 3 H2O + CO2 → Na2CO3·H2O + Al2Si2O5(OH)4 + 4 SiO2
3 NaAl3Si3O10(OH)2 + 5 H2O + CO2 → Na2CO3·H2O + 3 Al2Si2O5(OH)4

Les arguments qui militent à l’encontre de cette hypothèse sont de type thermodynamiques et massiques. Pour une température comprise entre 20 et 200°C, les deux réactions précédentes ne peuvent se produire que pour une pression de CO2 d’au minimum 3 kbar et pouvant aller jusqu’à 6 Gbar, alors qu’une pression maximale de 210 bars pouvait régner dans l’atmosphère Hadéenne. De plus, un bilan de masse inmplique un rapport Na/Al dans la croûte altérée de 1:1 alors que la plupart des roches riches en sodium ont un rapport de 1:2. Autrement dit, il n’y avait pas assez de sodium pour saturer les océans en Na2CO3·H2O. En parallèle à cette évolution du pH océanique, il faut aussi considérer la variation de l'état rédox de l'océan primitif.

Référence
Daniele L. Pinti (2005), «The Origin and Evolution of the Oceans», Lectures in Astrobiology, Vol. 1. M. Gargaud, B. Barbier, H. Martin & J. Reisse Eds, Springer-Verlag, New York, Berlin, p.83-112.

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