Géochimie Géodynamique et cycles Cours et exercices corrigés
Albert Jambon/Alain Thomas
Dunod
Avant-propos
IX
Partie 1
Fondements de la géochimie
Chapitre 1 Concepts et processus
3
1.1 Mélanges géochimiques3
1.1.1 Mélange binaire simple3
1.1.2 Topologie des diagrammes de mélanges6
1.2 Séparations de phases et fractionnement9
1.2.1 Fusion partielle10
1.2.2 Cristallisation fractionnée, distillation de Rayleigh11
1.2.3 Un processus complexe : assimilation-cristallisation fractionnée13
Chapitre 2 Outils et méthodes
17
2.1 Éléments-traces18
2.1.1 Un principe fondamental : le partage18
2.1.2 Les spectres expression de la signature géochimique23
2.1.3 Exemples de signature géochimique32
2.2 Isotopes des éléments légers36
2.2.1 Généralités36
2.2.2 Fractionnements isotopiques38
2.2.3 Fondements de l'hydrologie isotopique41
2.2.4 Processus hydrothermaux45
2.2.5 Paléotempératures45
2.3 Isotopes radioactifs ; radioactivité naturelle50
2.3.1 Principes de la désintégration radioactive50
2.3.2 Isotopes radioactifs de courte période52
2.3.3 Isotopes radioactifs de longue période ; chronomètres57
2.4 Isotopes radiogéniques65
2.4.1 Introduction : fractionnement et évolution isotopique65
2.4.2 La référence chondritique67
2.4.3 La différenciation du manteau primitif67
2.4.4 Origines des granitoïdes70
2.4.5 Traçage des mélanges70
Partie 2
Composition et structuration chimique de la Terre
Chapitre 3 La Terre dans l'Univers
75
3.1 Les processus de nucléosynthèse75
3.1.1 Nucléosynthèse primordiale76
3.1.2 Nucléosynthèse stellaire76
3.1.3 Nucléosynthèse stellaire finale : types p et r78
3.2 Composition du Soleil, des météorites et de la Terre81
3.2.1 Le Soleil81
3.2.2 Les météorites85
3.2.3 La Lune et les autres planètes91
3.2.4 La Terre comparée aux autres objets du système solaire93
3.3 Évolution et différenciation des planètes.
Un modèle de formation du système solaire93
3.3.1 Les radioactivités éteintes94
3.3.2 Cosmologie et isotopes de l'oxygène94
3.3.3 La formation des planètes96
3.3.4 Accrétion homogène ou accrétion hétérogène ?96
Chapitre 4 Terre globale et manteau primitif
98
4.1 La Terre : éléments majeurs98
4.1.1 Le noyau99
4.1.2 Le manteau primitif103
4.2 Le manteau primitif : éléments-traces109
4.2.1 Éléments réfractaires109
4.2.2 Éléments volatils109
4.2.3 Éléments sidérophiles111
Chapitre 5 La Terre objet différencié
113
5.1 Présentation des différents réservoirs113
5.2 La croûte continentale114
5.2.1 Composition de la croûte supérieure114
5.2.2 Composition de la croûte continentale inférieure et moyenne120
5.2.3 La croûte globale122
5.3 La croûte océanique124
5.3.1 La croûte basaltique fraîche125
5.3.2 Variabilité des MORB126
5.3.3 Altération hydrothermale128
5.4 Le manteau132
5.4.1 Variabilité du manteau132
5.4.2 Les pôles géochimiques136
5.5 Les enveloppes fluides139
5.5.1 L'atmosphère139
5.5.2 L'océan141
Annexes143
Masse de l'atmosphère143
Contenu en eau de l'air143
Partie 3
Géodynamique chimique et cycles géochimiques
Chapitre 6 L'énergie interne de la Terre
147
6.1 Énergie dissipée à la surface147
6.1.1 Conduction : gradient géothermique et flux de chaleur147
6.1.2 Autres pertes d'énergie150
6.1.3 Bilan des pertes énergétiques151
6.2 Sources de l'énergie interne151
6.2.1 Effets de la gravité : les marées152
6.2.2 La radioactivité153
6.2.3 Rémanence de chaleur fossile155
6.2.4 Production de chaleur dans le noyau156
6.3 Implications pour la dynamique interne156
6.3.1 La convection thermique157
6.3.2 Structure de la Terre et convection158
Chapitre 7 L'Énergie externe de la Terre
160
7.1 Distribution de l'Énergie solaire160
7.1.1 Énergie reçue de l'espace160
7.1.2 Nature spectrale des rayonnements solaire et terrestre162
7.1.3 De quelle énergie la surface terrestre dispose-t-elle ?163
7.1.4 Processus atmosphériques165
7.2 Pression anthropique sur le climat169
7.2.1 Principe du forçage radiatif170
7.2.2 Le bilan en 2005171
7.3 Implications dynamiques du bilan énergétique173
7.3.1 Le moteur thermique : transfert de chaleur vers les pôles173
7.3.2 L'atmosphère176
7.3.3 L'océan180
7.3.4 Le transfert global184
Chapitre 8 Cycles biogéochimiques
185
8.1 Notion de cycle et de modèle185
8.2 Définition des concepts fondamentaux187
8.2.1 Système ouvert ou fermé et échelles de temps187
8.2.2 Boîte188
8.2.3 Échanges189
8.2.4 État stationnaire189
8.2.5 Temps de séjour190
8.3 Aperçus sur les applications à quelques problèmes courants191
8.3.1 Réponse d'un système stationnaire à un changement des apports191
8.3.2 Bilans de masse avec échanges inconnus193
8.3.3 Recyclage interne194
8.4 Intérêt et limitations de ces approches195
8.4.1 Fonctionnement d'un système aquatique195
8.4.2 Remarques plus générales198
8.4.3 Bilan198
Chapitre 9 Cycle de l'eau
203
9.1 Le cycle global203
9.1.1 Les réservoirs203
9.1.2 Les échanges205
9.1.3 Les durées206
9.1.4 Les cheminements207
Chapitre 10 Dégradation de la surface terrestre
214
10.1 Introduction214
10.1.1 L'altération dans le cycle global de la matière214
10.1.2 Altération et érosion216
10.2 Les raisons de la dégradation des roches217
10.2.1 Contraintes physiques217
10.2.2 Entre physique et chimie, la surface des solides218
10.2.3 Contraintes chimiques219
10.3 De la roche au sol220
10.3.1 Composition de la surface terrestre220
10.3.2 Le sol220
10.4 Altération chimique des minéraux223
10.4.1 Altérabilité223
10.4.2 Production d'acides dans les sols224
10.4.3 Deux modes de disparition des minéraux226
10.5 Altération des aluminosilicates230
10.5.1 Exemple type de l'attaque carbonique231
10.5.2 Différents aboutissements231
10.6 Altération des carbonates236
10.6.1 Une altération efficace236
10.6.2 Des résidus utiles236
10.7 De la roche au fleuve236
Chapitre 11 Transport de la matière solide
241
11.1 Introduction241
11.1.1 Points de repère globaux241
11.1.2 Les particules242
11.2 Du continent vers l'océan246
11.2.1 Les transports fluviaux246
11.2.2 Les transports atmosphériques257
11.3 Dans l'océan263
11.3.1 La marge continentale263
11.3.2 La sédimentation océanique267
Chapitre 12 Les éléments majeurs
273
12.1 Introduction273
12.2 L'atmosphère276
12.2.1 L'aérosol minéral276
12.2.2 Les précipitations278
12.3 Les fleuves284
12.3.1 Mode de transport prédominant284
12.3.2 Composition de l'eau fluviale286
12.4 La marge continentale290
12.4.1 Un milieu en question290
12.4.2 Mise en évidence des échanges solide-liquide292
12.4.3 Comportement des éléments293
12.4.4 Les bassins évaporitiques294
12.5 L'océan total297
12.5.1 Comportement global des éléments297
12.5.2 L'hydrothermalisme301
12.5.3 Bilan de masse306
Chapitre 13 Les éléments-traces
312
13.1 Forme physicochimique des éléments312
13.1.1 Éléments liés aux particules313
13.1.2 Éléments dissous313
13.2 Distribution des éléments entre les particules et la solution315
13.2.1 De la croûte à l'eau du fleuve315
13.2.2 Des équilibres solide-liquide ?317
13.3 Transport par les fleuves319
13.3.1 Affinité pour les particules319
13.3.2 Le vecteur argileux320
13.3.3 Impact anthropique322
13.4 Les estuaires324
13.5 L'atmosphère325
13.5.1 Mesures directes326
13.5.2 Milieux enregistreurs329
13.6 L'océan331
13.6.1 La marge331
13.6.2 L'océan ouvert332
Annexe : tableau des éléments-traces342
Chapitre 14 Interaction avec la biosphère : cycle du carbone
345
14.1 La chimie du carbone345
14.1.1 Les espèces de carbone345
14.1.2 Le carbone dans les trois phases346
14.1.3 Équilibres et transformations chimiques347
14.1.4 Introduction de CO2 dans l'océan352
14.2 Le cycle du carbone359
14.2.1 Les réservoirs359
14.2.2 Le cycle géologique, lent359
14.2.3 Le cycle contemporain, rapide364
14.2.4 La perturbation anthropique369
Chapitre 15 Le long terme
377
15.1 Histoire de la différenciation du noyau377
15.1.1 Le cas de la formation catastrophique377
15.1.2 Le cas de la croissance continue du noyau380
15.1.3 La croissance de la graine381
15.2 Âge de la croûte continentale381
15.3 La dynamique de la croûte océanique387
15.4 Évolution du manteau389
15.5 Exosphère (atmosphère et océan)390
15.5.1 Le caractère «secondaire» de l'atmosphère terrestre390
15.5.2 Les gaz rares et la dynamique du dégazage390
15.5.3 Les gaz réactifs CO2 et H2O394
15.5.4 Évolution de l'atmosphère et apparition de l'oxygène395
Bibliographie
398
Index
399