Les différents types d’érosion Le système des carbonates...

L’altération des roches Thème : L’eau Chap. 1 Eau et environnement

ASDS : Les différents types d’érosion / Le système des carbonates 1 C.Grange-Reynas

L’altération des roches - CORRECTION

Mots-clefs : Erosion ; dissolution ; concrétion.

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,

bactéries échange de matière entre le sol et les

organismes vivants densité et activité des

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 : CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l) = Ca2+ (aq) + 2 HCO3- (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 : CaAl2Si2O8 (s) + 2 CO2 (g) +

3H2O (l) = Al2Si2O5(OH)4 (s) + Ca2+ + 2HCO3- (aq)

Les ions et minéraux produits sont conduits, grâce aux

rivières, dans l’océan. Les ions Ca2+ et HCO3- 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.

Ca2+ (aq) + 2 HCO3- (aq) →

CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)



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 : CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq)

Précipitation des carbonates : Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

La dissolution consomme 1 mole de CO2, 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 : CaAl2Si2O8(s) + 2 CO2(g) + 3 H2O(l) Al2Si2O5(OH)4(s) + Ca2+(aq)+ 2 HCO3-(aq)

Précipitation des carbonates : Ca2+(aq) + 2 HCO3-(aq) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)

L’altération consomme 2 moles de CO2, 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’atmosphère 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’atmosphère ?

L’altération des silicates influence directement les variations de la teneur en dioxyde de carbone atmosphérique. Sur

l’échelle des temps géologiques, il faut donc considérer ce phénomène comme essentiel pour expliquer la diminution

en dioxyde de carbone atmosphérique. Le dioxyde de carbone atmosphérique 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.



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.

Exemples

Pluie faible I < 3 mm/h Pluie modérée 3 mm/h < I < 8 mm/h

Pluie forte 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 v2.

3. 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 ?

ρglace < ρeau. Soit pour une même masse d’eau, vglace = m / ρglace > veau = m / ρeau.

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 atmosphérique en dioxyde de carboneCO2

atm augmente. Une grande

partie est piégée dans les océans. Le flux de dioxyde de carbone entre l’eau et l’atmosphère dépend de la différence

entre la pression du dioxyde de carbone atmosphérique ( PCO2

atm) et celle dans l’eau de mer (PCO2

océan). On dit que

l’état d’équilibre est atteint lorsque PCO2

atm = PCO2

océan.

Le dioxyde de carbone atmosphériqueCO2

atm se dissout dans les océans et devient l’acide carbonique CO2,H2O(aq).

La solubilité du dioxyde de carbone dans l’eau de mer diminue lorsque la température augmente ou lorsque la

pression PCO2

atm 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’atmosphère.

Différents équilibre acido-basiques dans l’océan.

L’acide carbonique CO2, H2O(aq) dissout, réagit avec l’eau, car il est l’acide du couple

CO2, H2O(aq) / HCO3- (aq). L’ion hydrogénocarbonate ainsi formé réagit à son tour avec l’eau,

car il est l’acide du couple HCO3- (aq) / CO3

2- (aq). L’acide carbonique en excès, quand

PCO2

atmaugmente, et l’ion carbonate réagissent ensemble selon un autre équilibre chimique.

Les constantes d’acidité des 2 premiers couples sont respectivement :

KA1 =

HCO3

——(aq)éë ùûéq

H3O+(aq)éë ùûéq

CO2 , H2O(aq)éë ùûéq

= 1,4 x 10—6 ; KA2 =

CO3

2—(aq)éë ùûéq

H3O+(aq)éë ùûéq

HCO3

——(aq)éë ùûéq

= 1,2 x 10—9.

Le pH de l’océan est voisin de 8,0.



La croissance des coraux dans l’océan.

Les coraux fabriquent leur squelette à partir des ions carbonate CO32- (aq) et calcium Ca2+ (aq), dissous dans l’eau de

mer, selon la réaction d’équation : CO32- (aq) + Ca2+ (aq) CaCO3 (s)

Ce solide se forme si, dans l’eau de mer, [CO32- (aq)] [Ca2+ (aq)] ≥ 4,47 x 10—7.

Dans les océans, la concentration [Ca2+ (aq)] peut être considérée comme constante.

Aide : formulaire du manuel TS spécifique Bordas page 333.

1. Comment varie la concentration en gaz carbonique dans l’eau *CO2, H2O(aq)], si la pression de ce gaz PCO2

atm

augmente dans l’atmosphère ?

Si PCO2

atmaugmente, alors [CO2, H2O(aq)] augmente dans les eaux froides.

Mais si PCO2

atmaugmente, les eaux chaudes rejettent alors moins de CO2 dans l’atmosphère, car PCO2

atm = PCO2

océan

puisque qu’il s’établit un état d’équilibre.

Ainsi, dans tous les océans, [CO2, H2O(aq)] augmente : ils stockent donc le CO2.

2. Ecrire les deux demi-équations acido-basiques, puis l’équation-bilan correspondant à la réaction entre l’acide

carbonique et l’eau.

CO2, H2O(aq) / HCO3- (aq) CO2, H2O(aq) HCO3

- (aq) + H+(aq)

H3O+(aq) / H2O(l) H2O(l) + H+ H3O+ (aq)

CO2, H2O(aq) + H2O(l) HCO3- (aq) + H3O+ (aq)



3. Ecrire les deux demi-équations acido-basiques, puis l’équation-bilan correspondant à la réaction entre l’ion

hydrogénocarbonate et l’eau.

HCO3- (aq) / CO3

2- (aq) HCO3- (aq) CO3

2- (aq) + H+(aq)

H3O+(aq) / H2O(l) H2O(l) + H+ H3O+ (aq)

HCO3- (aq) + H2O(l) CO3

2- (aq) + H3O+ (aq)

4. Calculer les pKA des 2 couples acido-basiques.

pKA1 = - log KA1 = - log (3,98.10-7) = 6,4 et pKA2 = - log KA2 = - log (5,01.10-11) = 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 HCO3-(aq).

7. Déduire l’équation-bilan de la réaction qui a lieu entre CO2, H2O(aq) en excès et CO32-(aq).

CO2, H2O(aq) / HCO3- (aq) CO2, H2O(aq) HCO3

- (aq) + H+(aq)

HCO3- (aq) / CO3

2- (aq) CO32- (aq) + H+(aq) HCO3

- (aq)

CO2, H2O(aq) + CO32- (aq) 2 HCO3

- (aq)

8. Quel est l’effet d’une augmentation importante de la concentration en dioxyde de carbone de l’atmosphère

PCO2

atm

sur le squelette des coraux ?

Si PCO2

atm augmente, [CO2, H2O(aq)] augmente, donc il y a davantage de CO2, H2O(aq) en excès ; la réaction vue en 7/

montre alors que la quantité et donc la concentration en ions carbonate [ CO32- (aq)] dans les océans diminue ;

comme [Ca2+(aq)], est constante, le produit [CO32- (aq)][ Ca2+(aq)] peut devenir inférieur à 4,47 x 10—7. L’équilibre

CaCO3 (s) CO32- (aq) + Ca2+ (aq) se déplace à droite, et le solide CaCO3 (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.



Ce qu’il faut retenir :

L’érosion et la dissolution d’un calcaire, bien que consommant du dioxyde de carbone atmosphérique, 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

atmosphérique. Sur l’échelle des temps géologiques, il faut donc considérer ce phénomène comme essentiel

pour expliquer la diminution en dioxyde de carbone atmosphérique. Le dioxyde de carbone atmosphérique

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’atmosphère, 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’atmosphère, amplifiant l’effet de serre.

Le ralentissement de la pompe océanique, et donc son impact sur le climat, inquiètent aujourd’hui les

climatologues.

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