L altération des roches - CORRECTION. Les différents types d érosion Le système des carbonates dans l océan

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1 Mots-clefs : Erosion ; dissolution ; concrétion. L altération des roches - CORRECTION Contexte du sujet : Le climat a fortement évolué depuis la formation de la Terre. Comment l altération des roches par l eau peut-elle modifier le climat à l échelle des temps géologiques? ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS SCIENTIFIQUES Les différents types d érosion Le système des carbonates dans l océan L érosion est le phénomène par lequel la surface du sol se transforme. À l échelle de temps géologique, la pluie et le vent suffisent à araser les plus hautes montagnes. Toute la matière les constituant se trouve ainsi progressivement transportée. L altérabilité du sol dépend de sa nature chimique de son état de surface (lisse, il résiste mieux qu une concrétion friable et trouée), et du type d érosion auquel il est soumis (tableau ci-dessous). Une concrétion est une réunion de différents corps qui se solidifient ensemble. Érosion Agent Effet de l érosion Facteur aggravant Mécanique vent, eau liquide, glace sol entrainé force du vent, pente de ruissellement Chimique eau dissolution du sol ph, température Biochimique animaux, végétaux, échange de matière entre le sol et les densité et activité des bactéries organismes vivants organismes vivants 1/ L érosion est-elle un phénomène naturel ou anthropique (causé par l homme)? Il s agit essentiellement d un phénomène naturel, au départ, mais influencé tout de même par l activité humaine (pluies acides, effet de serre, ). Document 1 : L altération des roches Certaines formations géologiques sont dues à l altération des roches (érosion). C est par exemple le cas des karsts, structures géologiques formées par dissolution des roches calcaires au contact d une eau riche en dioxyde de carbone : CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O (l) = Ca 2+ (aq) + 2 HCO - 3 (aq) L érosion d un basalte conduit à l altération de l anorthite (minéral silicaté) en kaolinite. Cette érosion consomme elle aussi du dioxyde de carbone : CaAl 2 Si 2 O 8 (s) + 2 CO 2 (g) + 3H 2 O (l) = Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (s) + Ca HCO 3 - (aq) Les ions et minéraux produits sont conduits, grâce aux rivières, dans l océan. Les ions Ca 2+ et HCO 3 - s accumulent dans l eau de mer et précipitent dès que la limite de solubilité du carbonate de calcium est atteinte. Cette précipitation s accompagne d une libération de dioxyde de carbone. (Voir ci-contre) L érosion des roches sur les continents et la précipitation des ions carbonate dans l océan s opposent donc en termes de bilan d espèces chimiques produites et consommées. Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 - (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2O (l) ASDS : Les différents types d érosion / Le système des carbonates 1 C.Grange-Reynas

2 La limite de solubilité d une espèce est la concentration à partir de laquelle cette espèce ne se dissout plus dans l eau. Cette limite dépend de la température. 1. En raisonnant sur les équations de réactions, faire le bilan de la quantité de dioxyde de carbone consommée ou produite dans le cas de l érosion continentale de calcaire suivie de la précipitation dans l océan des ions carbonate. Bilan du carbone dans le cas de l érosion continentale du calcaire suivie de la précipitation dans l océan. Dissolution du calcaire : CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 - (aq) Précipitation des carbonates : Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 - (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) La dissolution consomme 1 mole de CO 2, la précipitation en produit 1 mole. Le bilan est donc nul. 2. Réaliser de même le bilan de la quantité de dioxyde de carbone consommée ou produite dans le cas de l érosion continentale de basalte, riche en anorthite, suivie de la précipitation dans l océan des ions carbonate. Bilan du carbone dans le cas de l érosion continentale du basalte suivie de la précipitation dans l océan. Altération des silicates : CaAl 2 Si 2 O 8 (s) + 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O(l) Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (s) + Ca 2+ (aq)+ 2 HCO3-(aq) Précipitation des carbonates : Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 - (aq) CaCO 3 (s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) L altération consomme 2 moles de CO 2, la précipitation en produit 1 mole. Le bilan est donc négatif : l altération chimique des silicates consomme deux fois plus de dioxyde de carbone de l osphère que la précipitation du calcaire n en libère dans l océan. 3. Laquelle de ces deux érosions influe le plus sur la teneur en dioxyde de carbone dans l osphère? L altération des silicates influence directement les variations de la teneur en dioxyde de carbone osphérique. Sur l échelle des temps géologiques, il faut donc considérer ce phénomène comme essentiel pour expliquer la diminution en dioxyde de carbone osphérique. Le dioxyde de carbone osphérique se retrouve aujourd hui «séquestré» dans le carbone lithosphérique (calcaire). Document 2 : L érosion par l eau en milieu désertique. Contrairement aux idées reçues, les milieux désertiques ne sont pas à l abri de l érosion par l eau. Comment l eau peut-elle sculpter des paysages arides? Dans les milieux désertiques, les rares précipitations sont brèves et particulièrement fortes (plus de 1 mm/min). Le ruissellement de l eau sur les roches est donc très intense ; l eau charrie alors les matériaux et érode le sol. Par ailleurs, en l absence de couverture végétale, les gouttes de pluie ne sont pas ralenties et possèdent une énergie cinétique suffisante pour désagréger le sol. En tombant, les gouttes projettent en l air les éléments les plus fins, tout en déchaussant les éléments les plus gros (on parle d effet Splash). Ces derniers sont ensuite entraînés par le ruissellement de l eau. La glace constitue également un agent érosif dans les milieux désertiques. En saison froide, les températures peuvent être basses et le gel fragmente la roche : on parle alors de cryoclastie (ou de gélifraction). Ce phénomène résulte soit d une différence thermique entre les températures diurnes et nocturnes, soit du gel de l eau présente dans les fissures. ASDS : Les différents types d érosion / Le système des carbonates 2 C.Grange-Reynas

3 Les pluies sont classées suivant leur intensité I, qui correspond à la hauteur d eau précipitée par unité de temps : I = h t, avec h en mm, t en h et I en mm/h. Pluie faible Pluie modérée Pluie forte Exemples I < 3 mm/h 3 mm/h < I < 8 mm/h I > 8 mm/h 1. Quels sont les deux principaux agents érosifs en milieu désertique? Ce sont les pluies et la glace. 2. Quelle forme d énergie possèdent les gouttes d eau en touchant le sol? Elles possèdent de l énergie cinétique : Ec = ½ m v Expliquer pourquoi les pluies en milieu désertique sont qualifiées de «pluies fortes». I = h / t = 1 / (1 / 60) = 60 mm / h > 8, donc on peut les qualifier de «pluies fortes». 4. Quel changement d état de l eau intervient lors du phénomène de cryoclastie? Il s agit de la solidification. 5. La densité de la glace étant plus faible que celle de l eau liquide, comment évolue le volume de l eau lorsqu elle gèle? ρ glace < ρ eau. Soit pour une même masse d eau, v glace = m / ρ glace > v eau = m / ρ eau. Il y a donc augmentation du volume lorsque l eau gèle. 6. En quoi ce phénomène contribue-t-il à l érosion de la roche? L eau liquide s infiltre dans les fissures, et lorsque les températures chutent, elle gèle, prend plus de place, ce qui provoque l éclatement de la roche. Document 3 : Le système des carbonates dans l'océan Dissolution du dioxyde de carbone dans l océan. Du fait de l activité humaine, la concentration osphérique en dioxyde de carboneco 2 augmente. Une grande partie est piégée dans les océans. Le flux de dioxyde de carbone entre l eau et l osphère dépend de la différence océan entre la pression du dioxyde de carbone osphérique (P CO2 ) et celle dans l eau de mer (PCO2 ). On dit que océan l état d équilibre est atteint lorsque P CO2 = PCO2. Le dioxyde de carbone osphériqueco 2 se dissout dans les océans et devient l acide carbonique CO2,H 2 O(aq). La solubilité du dioxyde de carbone dans l eau de mer diminue lorsque la température augmente ou lorsque la pression P CO2 du dioxyde de carbone dans l air diminue. Ainsi, les eaux froides de l Atlantique Nord ont tendance à absorber du dioxyde de carbone ; puis, lorsque ces eaux refont surface dans les eaux chaudes du Pacifique et de l océan Indien, grâce à la circulation thermohaline, elles ont tendance à le libérer dans l osphère. Différents équilibre acido-basiques dans l océan. L acide carbonique CO 2, H 2 O(aq) dissout, réagit avec l eau, car il est l acide du couple CO 2, H 2 O(aq) / HCO - 3 (aq). L ion hydrogénocarbonate ainsi formé réagit à son tour avec l eau, car il est l acide du couple HCO - 3 (aq) / CO 2-3 (aq). L acide carbonique en excès, quand P CO2 augmente, et l ion carbonate réagissent ensemble selon un autre équilibre chimique. Les constantes d acidité des 2 premiers couples sont respectivement : K A1 = éë HCO 3 (aq) ù ûéq H3O + (aq) éë ù ûéq = 1,4 x 10 6 ; CO 2, H2O(aq) éë ù ûéq K A2 = 2 éë CO 3 (aq) ù ûéq H3O + (aq) éë ù ûéq = 1,2 x éë HCO 3 (aq) ù ûéq Le ph de l océan est voisin de 8,0. ASDS : Les différents types d érosion / Le système des carbonates 3 C.Grange-Reynas

4 La croissance des coraux dans l océan. Les coraux fabriquent leur squelette à partir des ions carbonate CO 2-3 (aq) et calcium Ca 2+ (aq), dissous dans l eau de mer, selon la réaction d équation : CO 2-3 (aq) + Ca 2+ (aq) CaCO 3 (s) Ce solide se forme si, dans l eau de mer, [CO 2-3 (aq)] [Ca 2+ (aq)] 4,47 x Dans les océans, la concentration [Ca 2+ (aq)] peut être considérée comme constante. Aide : formulaire du manuel TS spécifique Bordas page Comment varie la concentration en gaz carbonique dans l eau *CO 2, H 2 O(aq)], si la pression de ce gaz P CO2 augmente dans l osphère? Si P CO2 augmente, alors [CO2, H 2 O(aq)] augmente dans les eaux froides. océan Mais si P CO2 augmente, les eaux chaudes rejettent alors moins de CO2 dans l osphère, car P CO2 = PCO2 puisque qu il s établit un état d équilibre. Ainsi, dans tous les océans, [CO 2, H 2 O(aq)] augmente : ils stockent donc le CO Ecrire les deux demi-équations acido-basiques, puis l équation-bilan correspondant à la réaction entre l acide carbonique et l eau. CO 2, H 2 O(aq) / HCO 3 - (aq) CO 2, H 2 O(aq) HCO 3 - (aq) + H + (aq) H 3 O + (aq) / H 2 O(l) H 2 O(l) + H + H 3 O + (aq) CO 2, H 2 O(aq) + H 2 O(l) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) ASDS : Les différents types d érosion / Le système des carbonates 4 C.Grange-Reynas

5 3. Ecrire les deux demi-équations acido-basiques, puis l équation-bilan correspondant à la réaction entre l ion hydrogénocarbonate et l eau. HCO 3 - (aq) / CO 3 2- (aq) HCO 3 - (aq) CO 3 2- (aq) + H + (aq) H 3 O + (aq) / H 2 O(l) H 2 O(l) + H + H 3 O + (aq) HCO 3 - (aq) + H 2 O(l) CO 3 2- (aq) + H 3 O + (aq) 4. Calculer les pka des 2 couples acido-basiques. pk A1 = - log K A1 = - log (3, ) = 6,4 et pk A2 = - log K A2 = - log (5, ) = 10,3 5. Tracer un axe ph sur lequel apparaissent les valeurs des pka et les domaines où les espèces conjuguées prédominent. 6. Quelle espèce dissoute, parmi les 3 précédentes, prédomine dans les océans? A ph = 8,0, c est l ion hydrogénocarbonate HCO 3 - (aq). 7. Déduire l équation-bilan de la réaction qui a lieu entre CO 2, H 2 O(aq) en excès et CO 3 2- (aq). CO 2, H 2 O(aq) / HCO 3 - (aq) CO 2, H 2 O(aq) HCO 3 - (aq) + H + (aq) HCO 3 - (aq) / CO 3 2- (aq) CO 3 2- (aq) + H + (aq) HCO 3 - (aq) CO 2, H 2 O(aq) + CO 3 2- (aq) 2 HCO 3 - (aq) 8. Quel est l effet d une augmentation importante de la concentration en dioxyde de carbone de l osphère P CO2 sur le squelette des coraux? Si P CO2 augmente, [CO2, H 2 O(aq)] augmente, donc il y a davantage de CO 2, H 2 O(aq) en excès ; la réaction vue en 7/ 2- montre alors que la quantité et donc la concentration en ions carbonate [CO 3 (aq)] dans les océans diminue ; comme [Ca 2+ (aq)], est constante, le produit [CO 2-3 (aq)][ Ca 2+ (aq)] peut devenir inférieur à 4,47 x L équilibre CaCO 3 (s) CO 2-3 (aq) + Ca 2+ (aq) se déplace à droite, et le solide CaCO 3 (s), et donc les coraux, sont détruits. L acidification des océans, conséquence des activités humaines, va inévitablement entrainer de grands changements de la géochimie océanique et un remodelage de la biodiversité marine. Ainsi, il y a risque d une disparition importante, voire totale, d organismes calcaires (certains coraux par exemple). Des impacts plus lourds sont à craindre car les coraux habitent des écosystèmes marins uniques et d autres espèces dépendantes du corail risquent de disparaitre. 16/ Que penser des conséquences de l activité humaine sur la planète? Elles pourraient être désastreuses au niveau de la faune et de la flore marine notamment. ASDS : Les différents types d érosion / Le système des carbonates 5 C.Grange-Reynas

6 Ce qu il faut retenir : L érosion et la dissolution d un calcaire, bien que consommant du dioxyde de carbone osphérique, sont suivies dans les rivières et les océans de la précipitation de carbonate de calcium. Cette précipitation peut former des concrétions calcaires, en libérant autant de dioxyde de carbone. L altération des silicates influence directement les variations de la teneur en dioxyde de carbone osphérique. Sur l échelle des temps géologiques, il faut donc considérer ce phénomène comme essentiel pour expliquer la diminution en dioxyde de carbone osphérique. Le dioxyde de carbone osphérique se retrouve aujourd hui «séquestré» dans le carbone lithosphérique (calcaire). L érosion d une chaîne de montagne, sur plusieurs millions d années, conduit ainsi à un refroidissement global du climat. L altération des minéraux silicatés pompe du dioxyde de carbone dans l osphère, ce qui diminue l effet de serre et contribue à abaisser la température moyenne sur Terre. Environ 30% des rejets d origine anthropique (causé par l homme) de dioxyde de carbone sont absorbés par les mers et les océans. Mais le réchauffement global affecte également les eaux océaniques de surface. Or, la dissolution du dioxyde de carbone dans une eau chaude est moindre, ce qui ralentit la pompe océanique à dioxyde de carbone. Il s accumule un peu plus dans l osphère, amplifiant l effet de serre. Le ralentissement de la pompe océanique, et donc son impact sur le climat, inquiètent aujourd hui les climatologues. ASDS : Les différents types d érosion / Le système des carbonates 6 C.Grange-Reynas