Une fois la différenciation planétaire posée, la géochimie décrit la Terre actuelle comme un ensemble de réservoirs qui échangent de la matière. Ce chapitre présente le principe du bilan de masse, les processus qui produisent la différenciation chimique et les grands réservoirs (croûte continentale, croûte océanique, manteau) entre lesquels circulent les éléments — une carte mentale indispensable pour la suite du module.
1. Le principe du bilan de masse
En géochimie, un bilan de masse consiste à comparer la quantité d'un élément entrant et sortant d'un système (un réservoir, une roche en cours d'altération, un bassin sédimentaire) pour quantifier les gains, les pertes ou les transferts. Cette approche quantitative permet de reconstituer un processus géologique — fusion partielle, altération, sédimentation — à partir de la composition chimique mesurée avant et après le processus, en supposant qu'un ou plusieurs éléments se comportent de façon invariante (ni gagnés ni perdus), ce qui sert de référence pour calculer les mouvements des autres éléments.
2. Les processus de différenciation
La différenciation chimique de la Terre résulte de deux grands types de processus. La séparation de phase se produit lorsqu'un système hétérogène (par exemple un mélange métal-silicate, ou un magma partiellement cristallisé) se scinde en phases distinctes qui évoluent séparément — c'est ainsi que le fer métallique a migré vers le centre de la Terre pour former le noyau. Le fractionnement désigne la redistribution préférentielle d'un élément entre deux phases en équilibre (solide-liquide lors de la cristallisation ou de la fusion, minéral-fluide lors de l'altération) : un élément peut être préférentiellement retenu dans le solide résiduel ou au contraire concentré dans le liquide.
3. Éléments majeurs, en trace et isotopiques
La géochimie distingue trois familles d'éléments selon l'échelle d'étude. Les éléments majeurs constituent l'essentiel de la masse des roches (silicium, aluminium, fer, calcium…) et définissent leur composition minéralogique. Les éléments en trace, présents en très faibles quantités, ne modifient pas la minéralogie mais renseignent finement sur les processus pétrogénétiques, car leur comportement est plus sensible aux conditions physico-chimiques (voir chapitre 5). Les éléments isotopiques — ou plutôt les rapports isotopiques d'un même élément — servent de traceurs de source et d'horloges géochronologiques (chapitre 6).
4. Les grands réservoirs chimiques de la Terre
La Terre solide se structure chimiquement en réservoirs emboîtés. La croûte continentale, la plus riche en éléments lithophiles incompatibles (voir chapitre 5), est de composition globalement proche d'un granodiorite ; elle est la plus épaisse mais la moins dense des enveloppes silicatées. La croûte océanique, plus mince et plus dense, de composition basaltique, se forme en continu au niveau des dorsales médio-océaniques par fusion partielle du manteau. Le manteau, de composition péridotitique, constitue l'essentiel du volume silicaté de la Terre et représente le réservoir source des magmas. Sous ces enveloppes silicatées, le noyau, majoritairement composé de fer et de nickel, concentre les éléments sidérophiles.
5. Cycles géochimiques et échanges entre réservoirs
Ces réservoirs ne sont pas figés : ils échangent en permanence de la matière à travers des cycles géochimiques. Le volcanisme des dorsales extrait des éléments du manteau vers la croûte océanique ; la subduction réinjecte une partie de la croûte océanique altérée et de ses sédiments dans le manteau ; l'érosion continentale transfère des éléments de la croûte continentale vers les océans et les sédiments. L'étude de ces flux, à l'aide des bilans de masse et des traceurs isotopiques, est au cœur de la géodynamique chimique moderne.
Comparaison quantitative des entrées et sorties de matière d'un système géologique, utilisée pour quantifier un processus (altération, fusion, sédimentation) à partir des compositions chimiques mesurées.
Grand volume terrestre (croûte continentale, croûte océanique, manteau, noyau, hydrosphère, atmosphère) caractérisé par une composition chimique propre et échangeant de la matière avec les autres réservoirs.
Redistribution préférentielle d'un élément entre deux phases en équilibre (solide/liquide, minéral/fluide), à l'origine de la diversité chimique des roches issues d'un même matériau parent.
| Réservoir | Composition dominante | Caractéristique |
|---|---|---|
| Croûte continentale | Proche d'une granodiorite | Épaisse, peu dense, riche en éléments incompatibles |
| Croûte océanique | Basaltique | Mince, plus dense, renouvelée aux dorsales |
| Manteau | Péridotitique | Volume silicaté dominant, source des magmas |
| Noyau | Alliage Fe-Ni | Concentre les éléments sidérophiles |
Les grands réservoirs silicatés et métallique de la Terre
- Le bilan de masse compare entrées et sorties d'un élément pour quantifier un processus géologique.
- Séparation de phase (métal/silicate) et fractionnement (solide/liquide) sont les deux moteurs de la différenciation chimique.
- Trois familles d'éléments : majeurs (minéralogie), traces (traceurs de processus), isotopiques (source et âge).
- Quatre grands réservoirs terrestres : croûte continentale, croûte océanique, manteau, noyau, de compositions distinctes.
- Ces réservoirs échangent de la matière via le volcanisme, la subduction et l'érosion : ce sont les cycles géochimiques.
Question fréquente : distinguer croûte continentale et croûte océanique (épaisseur, densité, composition) et expliquer comment la subduction relie ces réservoirs au manteau. Ne confonds pas fractionnement (redistribution entre phases) et différenciation planétaire (structuration en enveloppes) — les deux notions sont liées mais distinctes.