Les cycles géochimiques et biogéochimiques constituent le cadre unificateur de la géologie, de l'écologie et des sciences du système Terre. Leur étude repose sur une analyse quantitative des réservoirs et des flux, sur la distinction des échelles de temps caractéristiques (du biologique rapide au géologique lent), et sur la reconnaissance du couplage étroit entre processus abiotiques et activité biologique. La perturbation actuelle de ces cycles par les activités humaines (en particulier ceux du carbone, de l'azote et du phosphore) en fait aujourd'hui un enjeu central des sciences de l'environnement et des politiques de durabilité

Quelques notions utiles :

• Réservoir : compartiment où un élément est stocké (atmosphère, océan, croûte, biomasse, sédiments).

• Flux : quantité de matière transférée d'un réservoir à un autre par unité de temps.

• Temps de résidence : (τ) τ = quantité stockée dans le réservoir / flux sortant. Mesure la "vitesse" de renouvellement.

• État stationnaire (steady state) : situation où les flux entrants et sortants d'un réservoir s'équilibrent, la masse stockée restant constante.

• Cycle fermé vs. ouvert : un cycle est dit fermé si la matière circule en boucle sans perte nette; ouvert s'il existe des puits ou des sources externes significatifs (ex. échanges avec le manteau). 

• Forçage anthropique : perturbation des flux naturels par les activités humaines (combustion, agriculture, industrie).

Les grands cycles géochimiques (abiotiques dominants)

• Roches magmatiques : cristallisation d'un magma (refroidissement en profondeur → roches plutoniques; refroidissement en surface → roches volcaniques).

• Roches sédimentaires : altération (érosion physique et chimique) des roches préexistantes → transport → dépôt → diagenèse (compaction, cimentation).

• Roches métamorphiques : transformation à l'état solide sous l'effet de la pression et de la température, sans fusion complète.

Ce cycle constitue le cadre géologique dans lequel s'inscrivent tous les cycles biogéochimiques : c'est lui qui, à l'échelle des temps géologiques, contrôle les flux de sortie et d'entrée des éléments entre la surface et l'intérieur de la Terre (subduction, dégazage volcanique, altération des silicates).

Le cycle de l'eau (cycle hydrologique).
Bien que parfois traité à part, le cycle de l'eau est le cycle géochimique de référence, car il conditionne le fonctionnement de tous les autres. L'eau joue un rôle de vecteur pour la plupart des autres cycles : elle transporte les nutriments dissous, contrôle l'altération chimique des roches (hydrolyse des silicates), et sert de milieu réactionnel pour l'essentiel des réactions biogéochimiques.

• Réservoirs principaux : océans (~97 % du volume total), calottes glaciaires et glaciers, eaux souterraines, eaux de surface (lacs, rivières), atmosphère (vapeur d'eau), biosphère.

• Processus : évaporation/évapotranspiration, condensation, précipitation, ruissellement, infiltration, fonte glaciaire.

L'altération chimique et le thermostat géologique.
L'altération des silicates (notamment via l'acide carbonique issu du CO2 atmosphérique dissous dans l'eau de pluie) consomme du CO2 atmosphérique et produit des ions bicarbonates qui rejoignent l'océan, où ils précipitent en carbonates biogéniques ou abiotiques. Ce mécanisme, couplé au volcanisme qui restitue le CO2 à l'atmosphère par dégazage, constitue un régulateur à long terme (10⁵ - 10⁶ ans) du climat terrestre. C'est un exemple emblématique d'interaction entre cycle géochimique (roches) et cycle biogéochimique (carbone).

Les grands cycles biogéochimiques

Flux biologiques rapides (échelle : jours à décennies).

• Photosynthèse : fixation du CO2 atmosphérique en matière organique par les producteurs primaires (plantes, phytoplancton), via l'énergie solaire.

• Respiration autotrophe et hétérotrophe : oxydation de la matière organique, restitution du CO2.

• Décomposition (respiration microbienne des sols et sédiments).

• Pompe de solubilité : dissolution physico-chimique du CO2 dans les eaux froides et sa plongée avec la circulation thermohaline.

• Pompe biologique : fixation du carbone par le phytoplancton, exportation vers les profondeurs sous forme de matière organique (« neige marine »), reminéralisation en profondeur.

• Sédimentation et enfouissement de carbone organique (à l'origine des combustibles fossiles) et de carbonates (calcaires).

• Subduction, métamorphisme et volcanisme, qui restituent le carbone à l'atmosphère sous forme de CO2.

• Altération des silicates (V. ci-dessus).

Le cycle de l'azote.
Le cycle de l'azote est remarquable car son réservoir dominant, le diazote atmosphérique (N2, ~78 % de l'atmosphère), est chimiquement très stable (triple liaison N≡N) et biologiquement inaccessible à la grande majorité des organismes. Le cycle repose donc presque entièrement sur des transformations microbiennes :

• Fixation de l'azote : conversion du N2 en ammoniac (NH3/NH4⁺) assimilable, réalisée par des bactéries fixatrices (libres comme Azotobacter, ou symbiotiques comme Rhizobium associé aux légumineuses), et par la fixation industrielle (procédé Haber-Bosch) et la foudre.

• Nitrification : oxydation microbienne de l'ammonium en nitrite (NO2^-) puis en nitrate (NO3^-), réalisée par des bactéries chimiolithotrophes (Nitrosomonas, Nitrobacter).

• Assimilation : incorporation de l'ammonium ou du nitrate dans la matière organique par les plantes et micro-organismes.

• Ammonification (minéralisation) : décomposition de la matière organique azotée, restitution d'ammonium.

• Dénitrification : réduction microbienne du nitrate en azote gazeux (N2 ou N2O) en conditions anaérobies, qui referme le cycle en renvoyant l'azote à l'atmosphère.

• Anammox : oxydation anaérobie de l'ammonium par le nitrite, produisant directement du N2 (voie importante dans les océans).

Le cycle du phosphore.
Le phosphore se distingue par l'absence de réservoir gazeux significatif : il ne possède pas de forme volatile stable dans les conditions de surface terrestre. Son cycle est donc essentiellement sédimentaire et beaucoup plus lent que ceux du carbone ou de l'azote. Étapes principales :

• Altération des roches phosphatées (apatite) → libération de phosphate (PO4^3-) dans les sols et les eaux.

• Assimilation par les producteurs primaires, incorporation dans les biomolécules (ADN, ARN, ATP, phospholipides).

• Transfert le long des chaînes trophiques, minéralisation par décomposition.

• Sédimentation dans les milieux aquatiques, formation de roches phosphatées sur des échelles de temps géologiques, remobilisation par surrection tectonique et érosion.

Le cycle du soufre.
Le soufre présente un cycle complexe car il existe sous de multiples états d'oxydation (de -2 à +6) et circule à la fois par voies gazeuses, aqueuses et sédimentaires.

• Sources naturelles : volcanisme (SO2, H2S), émissions biogéniques marines (diméthylsulfure, DMS, produit par le phytoplancton, impliqué dans la formation des noyaux de condensation nuageuse), altération des roches sulfurées (pyrite).

• Processus microbiens : oxydation du sulfure en sulfate par des bactéries sulfo-oxydantes ; réduction dissimilatrice du sulfate en sulfure par des bactéries sulfato-réductrices en milieu anoxique (sédiments, zones profondes).

• Réservoirs : atmosphère (SO2, sulfates particulaires), océan (sulfate dissous, deuxième anion le plus abondant après le chlorure), roches sédimentaires (évaporites, gypse, pyrite).

Le cycle de l'oxygène.
Le dioxygène atmosphérique (O2) résulte presque entièrement de la photosynthèse oxygénique, apparue avec les cyanobactéries il y a environ 2,4 milliards d'années (Grande Oxydation). Le cycle de l'O2 est étroitement couplé à celui du carbone : photosynthèse (production) et respiration/combustion (consommation) en sont les deux faces. À plus long terme, l'enfouissement de matière organique non oxydée (sédiments, combustibles fossiles) constitue la principale source nette d'accumulation d'O2 atmosphérique, tandis que l'altération des roches réduites (pyrite, matière organique ancienne exhumée) en constitue un puits.

Interconnexions entre les cycles

• C–O : photosynthèse et respiration lient stœchiométriquement les cycles du carbone et de l'oxygène.

• C–P–N (stoechiométrie de Redfield) : le phytoplancton marin assimile le carbone, l'azote et le phosphore selon un rapport atomique voisin de C:N:P ≈ 106:16:1, ce qui couple étroitement la dynamique de ces trois cycles dans l'océan.

• N–P : la limitation de la production primaire alterne souvent entre azote (milieux marins) et phosphore (milieux d'eau douce), avec des rétroactions croisées (la fixation de N2 peut être elle-même limitée par le fer ou le phosphore disponible).

• C–S : dans les sédiments anoxiques, la réduction bactérienne des sulfates est couplée à l'oxydation de la matière organique.

• Cycle du fer : bien que non détaillé ici, le fer agit comme micronutriment limitant la fixation d'azote et la production primaire dans de vastes zones océaniques (régions HNLC= High Nutrient, Low Chlorophyll), reliant ainsi les cycles du Fe, N et C.

Perturbations anthropiques globales

Le concept de limites planétaires (Rockström et al., 2009; actualisé depuis) propose des seuils de perturbation à ne pas dépasser pour ces cycles afin de maintenir la stabilité du système Terre; les cycles de l'azote et du phosphore figurent parmi les limites déjà considérées comme largement dépassées.