Les scientifiques quantifient l’évacuation mondiale de CO2 volcanique ; estiment le carbone total sur Terre

• Les scientifiques mettent à jour les estimations des immenses réservoirs de carbone intérieurs de la Terre, et la quantité de carbone que la Terre profonde avale et exhale naturellement ;
• Une étude de 10 ans sur la Terre profonde fait progresser les connaissances, délimite les limites ;
• Les volcans envoient-ils des avertissements chimiques plusieurs jours avant leur éruption ?
• Catastrophes de carbone : La Terre en a déjà vu quelques-unes ; elles ne se terminent pas bien pour la vie

Les volcans, les plaques continentales et océaniques qui entrent en collision et s’écartent, ainsi que d’autres phénomènes réétudiés à l’aide d’outils high-tech innovants, fournissent de nouvelles perspectives importantes sur le fonctionnement le plus intime de la Terre, affirment les scientifiques.

Se préparant à résumer et à célébrer les 10 ans du programme Deep Carbon Observatory à l’Académie nationale des sciences, à Washington DC, du 24 au 26 octobre, l’équipe Réservoirs et flux de DCO, composée de 500 membres, a présenté aujourd’hui plusieurs découvertes clés qui s’étendent du temps présent aux milliards d’années passées ; du noyau de la Terre à son atmosphère, et en taille, des volcans uniques aux cinq continents.

Parmi les nombreuses découvertes de grande envergure, soulignées et résumées dans une série d’articles publiés dans la revue Elements :

• Deux dixièmes seulement de 1 % du carbone total de la Terre — environ 43 500 gigatonnes (Gt) — se trouvent au-dessus de la surface dans les océans, sur les terres et dans l’atmosphère. Le reste se trouve sous la surface, y compris la croûte, le manteau et le noyau — un total estimé à 1,85 milliard de Gt
• Le CO2 dégagé dans l’atmosphère et les océans aujourd’hui par les volcans et autres régions magmatiquement actives est estimé à 280 à 360 millions de tonnes (0,28 à 0,36 Gt) par an, y compris celui libéré dans les océans par les dorsales médio-océaniques
• Les émissions annuelles de carbone de l’humanité par la combustion de combustibles fossiles et de forêts, etc, sont 40 à 100 fois supérieures à toutes les émissions volcaniques
• Le cycle du carbone de la Terre à travers les temps profonds révèle une stabilité équilibrée et à long terme du CO2 atmosphérique, ponctuée de grandes perturbations, notamment d’immenses libérations catastrophiques de magma qui se sont produites au moins cinq fois au cours des 500 derniers millions d’années. Au cours de ces événements, d’énormes volumes de carbone ont été dégazés, entraînant un réchauffement de l’atmosphère, une acidification des océans. et des extinctions massives
• De même, un impact de météore géant il y a 66 millions d’années, le bolide de Chicxulub sur la péninsule du Yucatan au Mexique, a libéré entre 425 et 1 400 Gt de CO2, a rapidement réchauffé la planète et a coïncidé avec l’extinction massive (>75%) de plantes et d’animaux — y compris les dinosaures. Au cours des 100 dernières années, les émissions provenant d’activités anthropiques telles que la combustion de combustibles fossiles ont été 40 à 100 fois supérieures aux émissions géologiques de carbone de notre planète
• Un changement dans la composition des gaz volcaniques, passant du dioxyde de soufre (SO2) malodorant (apparenté à des allumettes brûlées) à un gaz plus riche en CO2 inodore et incolore, peut être flairé par des stations de surveillance ou des drones pour prévenir d’une éruption — parfois des heures, parfois des mois à l’avance. Les systèmes d’alerte précoce d’éruption avec surveillance en temps réel vont de l’avant pour exploiter la découverte du rapport CO2/SO2, reconnu pour la première fois avec certitude en 2014

Dit la scientifique du DCO Marie Edmonds de l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni : « Le carbone, la base de toute vie et la source d’énergie vitale pour l’humanité, se déplace à travers cette planète de son manteau à l’atmosphère. Pour assurer un avenir durable, il est de la plus haute importance que nous comprenions l’ensemble du cycle du carbone de la Terre. »

« La clé pour démêler le cycle naturel du carbone de la planète est de quantifier la quantité de carbone qu’il y a et où, la quantité qui se déplace — le flux — et à quelle vitesse, des réservoirs de la Terre profonde à la surface et vice-versa. »

Ajoute son collègue Tobias Fischer de l’Université du Nouveau-Mexique, aux États-Unis : « Le Deep Carbon Observatory a fait progresser la compréhension du fonctionnement interne de la Terre. Son corpus collectif de plus de 1500 publications a non seulement augmenté ce que l’on sait, mais a établi des limites à ce qui est connaissable, et peut-être inconnaissable. »

« Tout en célébrant les progrès, nous soulignons que la Terre profonde reste une frontière scientifique hautement imprévisible ; nous n’avons vraiment que commencé à bosseler les limites actuelles de nos connaissances. »

Combien la Terre contient-elle de carbone ?

Les scientifiques savent depuis longtemps que le carbone à l’intérieur de la Terre existe sous la forme d’un ensemble diversifié de solides, de fluides et de gaz. Certains de ces matériaux impliquent des combinaisons de carbone avec de l’oxygène (par exemple, le dioxyde de carbone), avec du fer (par exemple, les carbures), avec de l’hydrogène (par exemple, le kérogène, le charbon, le pétrole et le méthane), et d’autres éléments (par exemple, le silicium, le soufre et l’azote), en plus du carbone élémentaire (par exemple, le graphite et le diamant).

Les scientifiques de l’Observatoire du carbone profond soulignent que la connaissance du carbone total dans le manteau inférieur et le noyau est encore spéculative et que les chiffres évolueront certainement en précision au fur et à mesure que les recherches se poursuivent. Cela dit, les experts (notamment Lee et al., 2019) estiment les réservoirs de carbone sur Terre comme suit :

Par les chiffres : Meilleures estimations actuelles, carbone sur Terre

1,85 milliard de gigatonnes (1,85 x 1 milliard x 1 milliard de tonnes) : Carbone total sur Terre

Décomposition :

• 1 845 000 000 (1,845 milliard) Gt : carbone total sous la surface
• 1 500 000 000 (1,5 milliard) Gt : Carbone dans le manteau inférieur :
• 315 000 000 (0,315 milliard) Gt : Le carbone dans les lithosphères continentale et océanique
• 30 000 000 (0,03 milliard) Gt : Carbone dans le manteau supérieur

• 43 500 Gt : carbone total au-dessus de la surface — dans les océans, sur terre et dans l’atmosphère (2/10e de 1 % du carbone total de la Terre)
• 37 000 Gt : Le carbone dans l’océan profond (85,1% de tout le carbone au-dessus de la surface)
• 3 000 Gt : Le carbone dans les sédiments marins (6,9 %)
• 2 000 Gt : Carbone dans la biosphère terrestre (4,6%)
• 900 Gt : Carbone dans l’océan de surface (2%)
• 590 Gt : Carbone dans l’atmosphère (1,4%)

Rejet de CO2 par les volcans

Le dégagement annuel total de CO2 par la Terre via les volcans et par d’autres processus géologiques tels que le réchauffement du calcaire dans les ceintures montagneuses est nouvellement estimé par les experts du DCO à environ 300 à 400 millions de tonnes métriques (0.3 à 0,4 Gt).

À eux seuls, les volcans et les régions volcaniques dégagent environ 280 à 360 millions de tonnes (0,28 à 0,36 Gt) de CO2 par an. Cela comprend la contribution de CO2 provenant des cheminées volcaniques actives, de la libération diffuse et généralisée de CO2 par les sols, les failles et les fractures dans les régions volcaniques, les lacs volcaniques et le système de la dorsale médio-océanique.

Dans de nombreuses régions du monde, le dégazage tectonique (émissions des ceintures montagneuses et autres limites de plaques), en particulier lorsque les températures nocturnes sont fraîches, peut provoquer des niveaux dangereux de CO2 près du sol — suffisamment pour asphyxier le bétail.

Selon les chercheurs de l’OCD, à de rares exceptions près, pendant des millions d’années, la quantité de carbone libérée du manteau terrestre a été relativement équilibrée par rapport à la quantité restituée par la subduction vers le bas des plaques tectoniques et d’autres processus.

Catastrophes carboniques

Alors que le volume de carbone enfoui par la subduction et ce qui est libéré par les volcans et les fractures tectoniques sont normalement en état d’équilibre, environ quatre fois au cours des 500 derniers millions d’années, cet équilibre a été bouleversé par l’émergence de grands événements volcaniques — 1 million ou plus de kilomètres carrés (la superficie du Canada) de magma libéré dans un délai de quelques dizaines de milliers d’années jusqu’à 1 million d’années.

Ces  » grandes provinces ignées  » ont dégazé d’énormes volumes de carbone (estimés jusqu’à 30 000 Gt — ce qui équivaut à environ 70 % des 43 500 Gt de carbone estimés à la surface aujourd’hui).

Le déséquilibre du cycle du carbone peut provoquer un réchauffement rapide de la planète, des changements dans le taux d’altération des silicates, des changements dans le cycle hydrologique et des modifications rapides globales de l’habitat qui peuvent provoquer une extinction massive au fur et à mesure que la Terre se rééquilibre.

Des catastrophes carboniques similaires ont été provoquées par des astéroïdes/météores (bolides), comme l’impact massif de Chixculub dans la région du Yucatan en Amérique centrale il y a 65 millions d’années — un événement auquel l’extinction des dinosaures et de la plupart des autres plantes et animaux de l’époque a été attribuée.

Selon les chercheurs australiens Balz Kamber et Joseph Petrus : « L’événement de Chicxulub […] a fortement perturbé le budget des gaz actifs sur le climat dans l’atmosphère, entraînant un refroidissement brutal à court terme et un fort réchauffement à moyen terme. »

« Ainsi, certains grands impacts de bolides sont comparables à ceux observés dans l’Anthropocène en termes de perturbation rapide du cycle du C (carbone) et de dépassement potentiel d’une taille critique de perturbation. »

La mise en route des volcans

Les experts du DCO estiment qu’environ 400 des 1500 volcans actifs depuis la dernière période glaciaire, il y a 11 700 ans, dégagent du CO2 aujourd’hui. Six cent soixante-dix autres pourraient produire des émissions diffuses, dont 102 sont déjà documentées. Parmi ceux-ci, 22 anciens volcans qui ne sont pas entrés en éruption depuis l’époque du Pléistocène (il y a 2,5 millions d’années jusqu’à la période glaciaire) dégazent. Ainsi, tous les volcans, les jeunes et les très anciens, peuvent émettre du CO2.

Aujourd’hui, les taux d’émission de CO2, de dioxyde de soufre et de sulfure d’hydrogène sont désormais quantifiés pour de nombreux volcans parmi les plus actifs du monde, grâce notamment au développement d’instruments miniatures, durables et peu coûteux.

Et plusieurs volcans ont été câblés avec des stations permanentes de surveillance des instruments à gaz pour obtenir des relevés de données en temps réel, améliorant ainsi la surveillance par les gouvernements et les universités aux États-Unis, en Italie, au Costa Rica et ailleurs. Il existe désormais une trentaine de stations de surveillance des gaz exploitées en collaboration sur les volcans des cinq continents, qui surveillent en permanence les émissions.

Pilotées par les scientifiques du sous-groupe DECADE (Deep Earth Carbon DEgassing) de DCO, les technologies et les installations ont permis de révolutionner la collecte de données au sein de lieux volcaniques inaccessibles ou dangereux. Les données obtenues sont combinées aux relevés des systèmes terrestres et satellitaires établis de longue date.

Des recherches récentes ont révélé le nombre de volcans dont on pense qu’ils dégagent aujourd’hui des quantités mesurables de CO2. Estimés à 150 en 2013, les chercheurs de DECADE confirment que plus de 200 systèmes volcaniques ont émis des volumes mesurables de CO2 entre les années 2005 et 2017. Parmi ceux-ci, plusieurs super-régions de dégazage diffus ont été documentées (par exemple, Yellowstone, aux États-Unis, le rift est-africain, en Afrique, et la province volcanique de Technong en Chine, pour n’en citer que quelques-unes). Le dégazage diffus est désormais reconnu comme une source de CO2 comparable aux cheminées volcaniques actives.

Parmi les héritages du DCO : une nouvelle base de données (http://www.magadb.net) pour saisir les informations sur les flux de CO2 provenant de sources volcaniques et non-volcaniques dans le monde.

Les chuchotements volcaniques : Les changements dans le rapport entre le SO2 ventilé et le CO2 peuvent prévenir des éruptions

Les recherches menées sur un nombre croissant de volcans bien surveillés dans le monde entier ont fourni de nouvelles informations importantes sur le moment des éruptions par rapport à la composition du dégazage volcanique.

La surveillance tout au long de l’année de cinq volcans a révélé que le niveau de dioxyde de carbone par rapport au dioxyde de soufre dans les gaz volcaniques change systématiquement dans les heures ou les mois précédant une éruption. Les volcans où de tels schémas ont été documentés comprennent le Poas (Costa Rica), l’Etna et le Stromboli (Italie), le Villarica (Chili) et le Masaya (Nicaragua). (Voir aussi http://bit.ly/2Ssk2UN).

De même, le rapport entre le CO2 et le SO2 a changé de façon spectaculaire des mois à des années avant les grandes éruptions du Kilauea (Hawaï) et du volcan Redoubt (Alaska), aux États-Unis, ce qui suggère que la surveillance de la composition des gaz, souvent dans des panaches invisibles, offre un nouvel outil de prévision des éruptions qui, dans certains cas, précède les augmentations de la sismicité du volcan ou de la déformation du sol.

« Le carbone, le sixième élément, joue des rôles uniques sur notre planète dynamique et en évolution. Il fournit la base chimique de la vie, il sert de source primaire pour nos besoins énergétiques, il inspire une foule de nouveaux matériaux remarquables et il joue un rôle disproportionné dans le climat et l’environnement incertain et changeant de la Terre. Ces multiples facettes du carbone ont inspiré des décennies de recherches intensives, dont la plupart se sont concentrées sur le cycle du carbone proche de la surface – les océans, l’atmosphère et la biosphère qui connaissent des changements rapides et qui sont les plus influencés par les activités humaines. La recherche sur le carbone en profondeur adopte une vision globale et à plus long terme en considérant les 90 % du carbone de la Terre qui sont cachés à l’intérieur de la planète. Nous explorons les formes, les quantités, les mouvements et les origines du carbone séquestré dans le noyau inaccessible de la Terre, qui se déplace dans le manteau profond, réagit dans les fluides profonds et se cache dans une fascinante biosphère souterraine. Nous ne pouvons pas comprendre le carbone sur Terre – nous ne pouvons pas placer le monde changeant de la surface dans son contexte – sans la base de référence nécessaire fournie par la recherche sur le carbone profond. »
– Robert H. Hazen, directeur exécutif, Deep Carbon Observatory ; Senior Staff Scientist, Carnegie Institution’s Geophysical Laboratory ; auteur : Symphony in C, Carbon and the Evolution of (Almost) Everything

« Depuis des milliards d’années, la Terre semble avoir trouvé un équilibre entre le carbone subduit en profondeur et le carbone émis par les volcans – des processus qui contribuent à stabiliser le climat et l’environnement. Mais dans quelle mesure ce cycle incessant est-il stable ? Aucune loi naturelle n’exige que la quantité de carbone descendant … soit exactement égale au carbone renvoyé à la surface par les volcans et d’autres moyens moins violents. Aucune question n’est plus centrale pour le Deep Carbon Observatory que cet équilibre entre ce qui descend et ce qui remonte. »
– Cin-Ty Lee, Rice University, USA

« La Terre est unique parmi les planètes de notre système solaire car elle possède de l’eau liquide à sa surface, favorise la vie et possède une tectonique des plaques active. L’identification de tous les liens entre ces phénomènes constitue une étape importante dans la quête permanente de l’humanité pour comprendre les origines de l’habitabilité de la Terre. Une certitude absolue, cependant, est que le carbone joue un rôle directeur. Par exemple, l’environnement clément de la Terre est lié à la chimie atmosphérique, qui est suffisamment chaude pour stabiliser l’eau liquide à sa surface mais suffisamment froide pour permettre la tectonique des plaques, et c’est un fait incontestable que la teneur en carbone de notre atmosphère et de nos océans est directement liée au climat de la Terre »
– Sami Mikhail, Université de St Andrews, U.K.

 » Les sorties importantes de DCO sont des modèles en régime permanent avec de nouvelles données puissantes pour évaluer les flux contemporains entre les réservoirs de carbone dans la Terre profonde et leurs effets sur tout, de l’évolution de la vie à l’air que nous respirons. Armés de cette compréhension, nous pouvons mieux évaluer les perturbations ou les non-linéarités du système terrestre à travers le temps profond. »
– Celina Suarez, Université de l’Arkansas, USA

« Nous avons obtenu une image beaucoup plus complète du dégazage du dioxyde de carbone volcanique sur Terre, renforçant l’importance des volcans actifs, mais découvrant que la libération subtile sur les grandes provinces hydrothermales et les zones de rifting continental sont également des régions dominantes de dégazage planétaire. »
– Cynthia Werner, contractuelle, United States Geological Survey

Appendice:

Deep Carbon 2019 : Launching the Next Decade of Deep Carbon Science

24-26 octobre, U.S. National Academy of Sciences à Washington, DC

Les quatre communautés de l’Observatoire du carbone profond :

Réservoirs et flux

Objectifs décennaux

• Établir des flux d’informations en accès libre et continu sur les émissions de gaz volcaniques et l’activité connexe.
• Déterminer les formes chimiques et la distribution du carbone dans l’intérieur le plus profond de la Terre.
• Déterminer le budget carbone du plancher océanique et les taux mondiaux d’entrée de carbone dans les zones de subduction.
• Estimez la direction et l’ampleur nettes des flux de carbone tectoniques du manteau et de la croûte vers l’atmosphère.
• Développez un modèle global robuste du cycle du carbone à travers le temps profond, y compris la Terre la plus ancienne, et la coévolution de la géosphère et de la biosphère.
• Produire des modèles quantitatifs du cycle global du carbone à différentes échelles, et à l’échelle planétaire (convection du manteau), à l’échelle tectonique (zone de subduction, orogenèse, rift, volcan), et à l’échelle du réservoir (noyau, manteau, croûte, hydrosphère).

Questions directrices

• Combien de carbone est contenu dans la Terre ?
• Quelle quantité de carbone est émise par les volcans actifs et les zones tectoniques actives ?
• Comment le carbone est-il recyclé entre l’atmosphère et la croûte, le manteau et le noyau de la Terre ?
• Quelles sont les formes chimiques du carbone dans la Terre profonde, et comment sont-elles distribuées ?
• Quelle est la nature de l’ensemble du cycle du carbone terrestre et comment a-t-il évolué au cours de l’histoire de la Terre ?

En chiffres

• 504 scientifiques
• 39 pays
• 102 projets
• 372 publications

Institutions de recherche participantes

• Chalmers University of Technology, Suède
• INGV, Italie
• Université nationale du Costa Rica/Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica/Universidad de Costa Rica
• Observatoire volcanologique de Rabaul, Papouasie-Nouvelle-Guinée
• Université de Bayreuth, Allemagne
• Université de Bristol, Royaume-Uni
• Université de Cambridge, Royaume-Uni
• Université de Heidelberg, Allemagne
• Université de Mayence, Allemagne
• Université du Nouveau-Mexique, États-Unis
• Université de Palerme, Italie
• Université de Padoue, Italie
• Institut océanographique de Woods Hole, USA
• Université College London, UK
• Université de l’Arkansas, USA
• Université de Sydney, Australie
• Université de l’Alberta, Canada
• Carnegie Institution for Science, USA
• Gemological Institute of America, USA
• US Geological Survey, USA

https://deepcarbon.net/community/reservoirs-and-fluxes

Deep Energy

Dédié au développement d’une compréhension fondamentale des environnements et des processus qui régulent le volume et les taux de production d’hydrocarbures abiogènes et d’autres espèces organiques dans la croûte et le manteau au cours des temps géologiques.

Objectif décennal, questions directrices :

https://deepcarbon.net/communities/deep-energy

Physique et chimie de l’extrême

Dédié à l’amélioration de notre compréhension du comportement physique et chimique du carbone dans des conditions extrêmes, telles qu’on les trouve dans les intérieurs profonds de la Terre et d’autres planètes.

Objectif décennal, questions directrices :

https://deepcarbon.net/index.php/community/extreme-physics-and-chemistry

Vie profonde

Dédié à l’évaluation de la nature et de l’étendue de la biosphère microbienne et virale profonde.

But décennal, questions directrices :

https://deepcarbon.net/index.php/community/deep-life

Sélection d’articles, Réservoirs et flux de DCO :

• Fischer et al (2019) Science Advances (en révision)
• Tamburello G, Pondrelli S, Chiodini G, Rouwet D (2018) Global-scale control of extensional tectonics on CO2 earth degassing. Nature Communications doi : 10.1038/s41467-018-07087-z
• de Moor JM, Aiuppa A, Pacheco J, Avard G, Kern C, Liuzzo M, Martínez M, Giudice G, Fischer TP (2016) Gaz volcaniques à courte période précurseurs des éruptions phréatiques : Insights from Poás Volcano, Costa Rica. Earth and Planetary Science Letters doi : 10.1016/j.epsl.2016.02.056
• McCormick Kilbride B, Edmonds M, Biggs J (2016) Observing eruptions of gas-rich, compressible magmas from space. Nature Communications doi:10.1038/ncomms13744
• Johansson L, Zahirovic S, Müller RD (2018) The interplay between the eruption and weathering of Large Igneous Provinces and the deep-time carbon cycle. Geophysical Research Letters doi : 10.1029/2017GL076691
• Kelemen PB, Manning CE (2015) Reevaluating carbon fluxes in subduction zones, what goes down, mostly comes up. PNAS doi : 10.1073/pnas.1507889112
• Eléments numéro spécial sur les perturbations catastrophiques du cycle du carbone de la Terre. Sous presse, à paraître le 1er octobre 2019. Les articles peuvent être prévisualisés à http://bit.ly/2mzTR2s
• Werner C, Fischer TP, Aiuppa A, Edmonds M, Cardellini C, Carn S, Chiodini G, Cottrell E, Burton M, Shinohara H, Allard P (2019) Émissions de dioxyde de carbone des régions volcaniques subaériennes : Two Decades in Review. Deep Carbon : Past to Present. Cambridge University Press
• Hauri EH, Cottrell E, Kelley KA, Tucker JM, Shimizu K, Le Voyer M, Marske J, Saal AE (2019) Carbon in the Convecting Mantle. Deep Carbon : Past to Present. Cambridge University Press
• Lee C-T A, Jiang H, Dasgupta R, Torres M (2019) Un cadre pour comprendre le cycle du carbone sur toute la Terre. Deep Carbon : Past to Present. Cambridge University Press

Illustrations:

Figure reproduite de Werner et al, 2019:

Les nouvelles données de flux de CO2 des volcans ont montré que les volcans dormants ainsi que les volcans actifs émettent d’importants flux de CO2 jusqu’alors  » invisibles « , dérivés du dégazage des corps magmatiques dans la croûte inférieure. Ces flux de CO2 diffus contribuent largement au flux de carbone total du dégazage volcanique.

http://bit.ly/2mVki2U

Le volcanologue Brendan McCormick de la DCO installe un dispositif de surveillance DECADE MultiGAS sur le volcan Rabaul en Papouasie-Nouvelle-Guinée. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’Emma Liu, Université de Cambridge.

http://bit.ly/2mNBkzM

En utilisant les dispositifs de surveillance permanente des gaz DECADE, les scientifiques de l’OCD ont observé des changements remarquables dans la composition des émissions de gaz avant les éruptions des volcans Póas et Turrialba au Costa Rica. Sur la photo, le lac de cratère du volcan Póas en 2014. Crédit : Katie Pratt, Université de Rhode Island, États-Unis

http://bit.ly/2kVHZaM

Prélèvement de gaz au volcan Lastarria (nord du Chili) lors de l’expédition Trail by Fire (http://www.trailbyfire.org/). crédit : Yves Moussallam, Lamont Doherty Earth Observatory

http://bit.ly/2lp0MeK

Les volcanologues utilisent de plus en plus de véhicules aériens (alias drones) pour faire voler leur matériel d’échantillonnage dans des panaches de gaz volcaniques autrement inaccessibles. Préparation d’un vol au bord du cratère du volcan Lascar (nord du Chili) pendant l’expédition Trail by Fire (http://www.trailbyfire.org/). Crédit : Yves Moussallam, Lamont Doherty Earth Observatory

http://bit.ly/2mUuWHc

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