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Un nouveau modèle pour simuler l'évolution future de l'altération chimique des surfaces continentales

Très dépendante du climat, du couvert végétal et du type de roche sous-jacente, l'altération chimique des surfaces continentales, qui est un puits de carbone atmosphérique, est susceptible de subir des modifications importantes en réponse à la pression anthropique sur l'environnement. Pour explorer cette sensibilité, des chercheurs du Laboratoire des mécanismes et transferts en géologie (LMTG/OMP, CNRS / Université Toulouse 3 / IRD) ont construit un nouveau modèle numérique couplant l'altération chimique à la dynamique du couvert végétal. En appliquant ce modèle au bassin d'un grand fleuve, l'Orénoque, ils ont déjà pu montrer qu'en milieu tropical, toute chose étant égale par ailleurs, le couvert végétal contrôle l'altération chimique, et donc la quantité de matière carbonée soustraite à l'atmosphère.

L'altération chimique des surfaces continentales est la lente dissolution par l'eau des minéraux présents dans les sols et la roche sous-jacente, selon des mécanismes chimiques(1) qui consomment du gaz carbonique (CO2) atmosphérique. Elle laisse son empreinte dans la composition chimique des eaux des fleuves, grands collecteurs des eaux qui circulent sur et dans les sols de leur bassin versant, sous la forme de cations majeurs (calcium, magnésium, potassium et sodium), de silice dissoute ainsi que d'ions bicarbonates contenant le carbone atmosphérique capturé. Tous ces composés terminent ensuite leur périple dans l'océan où ils restent piégés durant plusieurs milliers d'années. L'altération chimique est donc un processus qui soustrait du CO2 à l'atmosphère tout en contrôlant la chimie des fleuves.

Or, des chercheurs ont montré dès les années 80 que l'altération chimique est un puits majeur de CO2 aux échelles des temps géologiques. En outre, elle dépend de nombreux paramètres [du climat (température de l'atmosphère, précipitations, couvert nuageux), de la composition chimique des pluies et de la nature du couvert végétal(2), des sols et de la roche mère sous-jacente], certains de ces paramètres la rendant sensible aux activités humaines (modification de l'utilisation des sols, pollution atmosphérique) et au changement climatique.

Afin de comprendre comment l'altération chimique des surfaces continentales évoluera au cours des prochains siècles et millénaires à l'échelle continentale et in fine quelle rétroaction elle induira peut-être sur le réchauffement climatique, des chercheurs du LMTG ont construit un modèle numérique d'un nouveau type, le modèle B-WITCH, capable de calculer la composition chimique d'un grand fleuve en fonction de la dynamique de la végétation présente sur son bassin et du climat, en couplant deux modèles :

  • le modèle LPJ, déjà disponible, qui simule la dynamique du couvert végétal en fonction de son type, à l'échelle des continents, et calcule les flux d'eau sur et dans les sols ;
  • et le modèle WITCH, développé par l'équipe du LMTG, qui simule l'altération chimique et calcule la concentration des composés dissous dans les flux d'eau, en fonction des conditions environnementales (nature des sols et de la roche, température des différentes couches du sol, flux d'eau).
Les chercheurs ont introduit dans ce modèle couplé un ensemble de données issues d'une carte des types de roches affleurant dans le monde, d'une carte mondiale des types de sols et des données climatiques mondiales couvrant l'ensemble du XXe siècle. Ils ont ensuite utilisé ce modèle pour simuler l'altération continentale sur le bassin de l'Orénoque, grand fleuve d'Amérique latine, avec une résolution spatiale de 50x50 km, et déterminer la composition chimique (éléments majeurs) des eaux du fleuve. Ce bassin a été choisi car il est relativement peu anthropisé et présente peu d'érosion physique.  

 

Les simulations réalisées avec B-WITCH confirment la faisabilité de la méthode : le modèle est en effet capable de reproduire la composition chimique moyenne annuelle de l'Orénoque. De plus, elles ont permis de montrer que le couvert végétal, via l'hydrologie, est le premier facteur de contrôle de l'altération chimique des continents en milieu tropical. En particulier, lorsque la végétation est "enlevée" du bassin de l'Orénoque, l'altération chimique s'accroît de telle sorte que la consommation de CO2 atmosphérique augmente de plus de 70 % et que le flux d'eau circulant du sommet du sol jusqu'à la roche sous-jacente augmente d'un facteur 4, d'où il résulte une augmentation de 80 % du flux de cations à l'exutoire du bassin.
Ces tests de sensibilité ont été réalisés sans modification du climat, un paramètre qui sera pris en compte dans des études futures.
Cette étude a été financée par l'INSU et par l'ANR programme blanc 2005-2008.

 

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