Le calcium

Les océans Archéens ont très probablement été acides. Cette hypothèse repose sur le fait que l’océan primitif était en équilibre avec une atmosphère composée principalement de dioxyde de carbone CO₂. Aujourd’hui, le pH des océans se trouve contrôlé par la dissolution et la reprécipitation du carbonate de calcium CaCO₃. La fugacité du dioxyde de carbone de l’atmosphère joue aussi un rôle majeur comme indiqué dans la figure ci-dessus. Comme on peut le voir, l’océan est devenu basique. Son pH est de 8,2 depuis environ 2 milliards d’années. La valeur initiale de la pression de CO₂ était voisine de 10 bars. Durant l’Hadéen, le niveau de CO₂ était nettement supérieur à cette valeur (40-210 bars). Ceci entraînait un contrôle direct du pH de l’océan par la carbonatation de la croûte océanique plutôt que par la précipitation des carbonates.

Des modèles thermodynamiques plus sophistiqués sont donc nécessaires pour prédire la valeur du pH des océans Hadéens. Ainsi, on considère les réactions de carbonatation suivantes pour la croûte océanique :

CaSiO₃ + H₂O → Ca²⁺ + 2 HCO₃^– + SiO₂
Ca²⁺ + 2 HCO₃^– → CaCO₃ + H₂CO₃

On voit donc que le pH des océans est contrôlé directement par la pression partielle de CO₂. Pour des températures initiales voisines de 200-230°C, on obtient une gamme de pH comprise entre 4,8 et 6,5, confortant l’idée d’océans acides durant l’Hadéen.

Le sodium

Un modèle alternatif des océans Hadéens peut être proposé à tenant compte de l’existence de lacs de soude dans le rift de l’Afrique de l’Est. Pour un tel modèle saturé en carbonate de sodium de type thermonatrolite Na₂CO₃·H₂O, on aurait un océan alcalin présentant un pH compris entre 9 et 10,5. Cette thermonatrolite aurait pu être produite par l’altération de roches riches en sodium selon les réactions :

2 NaAlSi₃O₈ + 3 H₂O + CO₂ → Na₂CO₃·H2O + Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4 SiO₂
2 NaAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ + 5 H₂O + CO₂ → Na₂CO₃·H2O + 3 Al₂Si₂O₅(OH)₄

Les arguments qui militent à l’encontre de cette hypothèse sont de type thermodynamiques et massiques. Pour une température comprise entre 20 et 200°C, les deux réactions précédentes ne peuvent se produire que pour une pression de CO₂ d’au minimum 3 kbars et pouvant aller jusqu’à 6 Gbars. Alors qu’une pression maximale de 210 bars pouvait régner dans l’atmosphère Hadéenne. De plus, un bilan de masse implique un rapport Na/Al dans la croûte altérée de 1:1 alors que la plupart des roches riches en sodium ont un rapport de 1:2. Autrement dit, il n’y avait pas assez de sodium pour saturer les océans en thermonatrolite. En parallèle à cette évolution du pH océanique, il faut aussi considérer la variation de l’état rédox de l’océan primitif.

Référence

Daniele L. Pinti (2005), «The Origin and Evolution of the Oceans», Lectures in Astrobiology, Vol. 1. M. Gargaud, B. Barbier, H. Martin & J. Reisse Eds, Springer-Verlag, New York, Berlin, p.83-112.