Cycle du silicium : la verrerie vivante des océans

Un grain de sable et une algue microscopique peuvent-ils vraiment fabriquer la même matière que le verre d'une fenêtre ? Le cycle du silicium, l'un des grands cycles biogéochimiques aux côtés de ceux du carbone, de l'azote, du phosphore, du soufre et du fer, tient en grande partie dans cette question. Il décrit le parcours d'un atome qui part d'une roche continentale, descend jusqu'à l'océan, se fait sculpter en coque de verre par des êtres vivants, puis, le plus souvent, se dissout et recommence. Pour bien comprendre ce mécanisme, le plus simple est de suivre cet atome à la trace, étape par étape.

Tout commence sur les continents. Quand l'eau de pluie, chargée en acide carbonique, attaque les minéraux silicatés, elle libère lentement du silicium sous forme dissoute. L'altération d'une olivine comme la forstérite en donne une image concrète : la réaction Fe2SiO4 + 4 H2CO3 produit des ions fer, des bicarbonates et de l'acide silicique H4SiO4, la forme sous laquelle le silicium voyage en solution. Ce n'est pas une réaction spectaculaire, c'est une érosion chimique de fond, qui travaille à l'échelle des paysages.

Les fleuves collectent cet acide silicique et le convoient vers la mer. Selon la synthèse de référence de Tréguer et ses collègues, publiée en 2021 dans la revue Biogeosciences, le flux fluvial mondial atteint 8,1 (plus ou moins 2,0) téramoles de silicium par an, en additionnant la fraction dissoute et la silice amorphe transportée. En agrégeant toutes les sources, fleuves, poussières éoliennes, dissolution de minéraux, eaux souterraines sous-marines, fonte glaciaire et hydrothermalisme, ces mêmes auteurs chiffrent les apports totaux à l'océan à 14,8 (plus ou moins 2,6) téramoles par an, pour des sorties de 15,6 (plus ou moins 2,4). Le budget est presque à l'équilibre, à l'incertitude près.

À noter que ce bilan bouge encore. Une étude parue en 2025 dans Nature Geoscience, menée par Aparicio, Le Bihan, Jeandel et leurs collègues, a mis en évidence une source longtemps ignorée : les plages de sable. L'énergie des vagues accélère la dissolution du quartz au point d'y apporter 8,3 à 8,4 (plus ou moins 3,0) téramoles de silicium par an, un ordre de grandeur comparable à celui de tous les fleuves du monde. Rappelons que ce type de correction, apparu bien après les premiers budgets, dit surtout à quel point ce cycle reste sous-échantillonné.

C'est en surface de l'océan que le cycle prend son visage le plus étonnant. L'acide silicique dissous y est absorbé par le phytoplancton siliceux, au premier rang duquel les diatomées. Ces algues unicellulaires transforment la molécule Si(OH)4 en silice solide, SiO2 plus deux molécules d'eau, sous le guidage précis de protéines dédiées. Le résultat est un frustule, une coque de verre finement ciselée, faite d'opale biogénique, c'est-à-dire de silice amorphe hydratée (opale-A, formule SiO2 point nH2O, où l'eau représente généralement 6 à 10 pour cent de la masse).

Quand je montre une image de frustule au microscope à mes étudiants, la réaction est toujours la même : une géométrie d'orfèvre, produite par un organisme sans cerveau ni main. La production annuelle de cette opale dans la couche éclairée est colossale : 255 (plus ou moins 52) téramoles de silicium par an, l'écrasante majorité revenant aux diatomées. À côté, les éponges, qui bâtissent aussi des structures siliceuses, n'en produisent que 6 (plus ou moins 6), et encore, au fond des mers.

Prenons un exemple parlant de cette organisation verticale. Les organismes silicifiants ne se répartissent pas au hasard dans la colonne d'eau : les diatomées dominent en surface, les radiolaires occupent la couche intermédiaire, et les éponges se cantonnent aux grands fonds. Chaque étage a ses bâtisseurs de verre. Cette stratification n'est pas un détail esthétique, c'est elle qui fixe où le silicium est prélevé, et où il sera relâché.

Voici le paradoxe qui structure tout le cycle. Sur les 255 téramoles produites chaque année, une part infime seulement finit enfouie dans les sédiments : de l'ordre de 3 à 3,6 pour cent, soit 9,2 (plus ou moins 1,6) téramoles par an selon Tréguer 2021. Tout le reste se redissout. Plus de 90 pour cent de la silice qui coule sous la zone éclairée repasse en solution avant d'atteindre le fond, puis remonte via les remontées d'eaux profondes pour être réutilisée.

Concrètement, cela signifie qu'un même atome de silicium est recyclé biologiquement une dizaine à une vingtaine de fois selon les études avant d'être définitivement piégé dans la roche sédimentaire. Son temps de résidence biologique dans l'océan est de l'ordre de 400 à 500 ans, tandis que son temps de résidence géochimique, lui, a été révisé par Tréguer et ses collègues à environ 8 000 ans, deux fois plus court que les 18 000 ans admis auparavant. Le cycle du silicium tourne donc bien plus vite qu'on ne le pensait, ce qui n'est pas anodin pour la modélisation du climat passé.

C'est ici que le silicium croise la route du carbone, et que son importance déborde la simple minéralogie. Les frustules ont une propriété mécanique précieuse : ils sont lourds. En lestant la neige marine et les pelotes fécales, ces coques de verre accélèrent la chute de la matière organique vers les profondeurs. Les diatomées deviennent ainsi un moteur de la pompe biologique de carbone, ce tapis roulant qui exporte de 5 à 12 pétagrammes de carbone par an de la surface vers les couches profondes, dont environ 0,2 pétagramme est stocké durablement dans les sédiments.

La nuance est importante ici, car ce rôle est souvent gonflé. On lit régulièrement que les diatomées assureraient la moitié de la production primaire des océans. En réalité, les estimations varient beaucoup selon la méthode : la modélisation récente donne près de 29 pour cent, les mesures de terrain plus anciennes dépassent 40 pour cent. Le plus honnête est d'écrire une fourchette, entre environ 20 et 40 pour cent selon les études, avec des pointes régionales bien plus fortes en zones d'upwelling côtier. Sur ce point, j'avoue ne jamais avoir réussi à trancher entre les deux écoles de mesure, et je me méfie de quiconque affiche un chiffre unique sans sourciller. De la même façon, la part des diatomées dans la photosynthèse planétaire tourne autour d'un cinquième à un quart, pas davantage.

Le silicium arbitre aussi une compétition écologique. Quand le rapport entre silicate, azote et phosphore est élevé, les diatomées prennent le dessus ; quand il chute, ce sont les coccolithophores, non siliceux, qui l'emportent. Et comme la régénération du silicium dissous est lente, une efflorescence de diatomées peut épuiser le stock de surface au point d'interrompre sa propre croissance. Le phytoplancton est ici prisonnier de sa propre chimie.

Ce système, patiemment calibré à l'échelle géologique, encaisse mal nos interventions. Les barrages en sont l'illustration la plus nette : une retenue séquestre typiquement 20 pour cent du silicium actif qui y transite, et à l'échelle mondiale les réservoirs en stockent environ 5,3 pour cent. Le cas extrême du barrage des Trois-Gorges, en Chine, retient 72 pour cent du silicium dissous du fleuve. Or, quand le rapport silicium sur azote descend sous 1 dans l'eau retenue, la porte s'ouvre aux efflorescences d'algues nuisibles, non siliceuses. Priver l'aval de silicium revient à changer la nature même du plancton côtier.

L'acidification des océans ajoute une menace plus insidieuse, mise en évidence par Taucher et ses collègues en 2022 dans Nature. Dans un océan plus acide, la dissolution de l'opale qui coule ralentit fortement, jusqu'à 57 pour cent en moins par unité de pH. La silice descend alors plus loin avant de se redissoudre, ce qui appauvrit la surface en acide silicique et affame progressivement les diatomées. Leurs projections décrivent un déclin mondial des diatomées de 13 à 26 pour cent d'ici 2200. Ce n'est pas une observation, c'est un modèle, et il faut le présenter comme tel ; mais la cohérence du mécanisme rend le scénario difficile à écarter d'un revers de main.

Reste une leçon que je livre volontiers en fin de cours. Ce cycle du silicium relie une roche battue par la pluie, une algue plus petite qu'un cheveu et le climat de la planète entière, le tout en un équilibre qui a mis des millions d'années à se régler. Nous, il nous suffit d'un barrage ou de quelques décennies d'émissions pour le faire vaciller. La verrerie vivante des océans est solide, mais elle n'est pas incassable.

• Tréguer, P. et al. (2021). Reviews and syntheses: The biogeochemical cycle of silicon in the modern ocean. Biogeosciences, 18, 1269-1289. https://bg.copernicus.org/articles/18/1269/2021/
• Aparicio, M., Le Bihan, A., Jeandel, C. et al. (2025). Contribution of sandy beaches to the global marine silicon cycle. Nature Geoscience, 18, 154-159. https://www.geotraces.org/contribution-of-sandy-beaches-to-the-oceanic-silica-cycle/
• Taucher, J., Bach, L.T. et al. (2022). Enhanced silica export in a future ocean triggers global diatom decline. Nature, 605, 696-700. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9132771/
• The evolution of diatoms and their biogeochemical functions (revue). https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5516106/
• Effect of river damming on nutrient transport and transformation. Frontiers in Marine Science, 2022. https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2022.1078216/full
• Institut Universitaire Européen de la Mer, Le cycle du silicium dans l'océan. https://www-iuem.univ-brest.fr/cycle-du-silicium-dans-locean/
• Wikipedia (EN), Silica cycle. https://en.wikipedia.org/wiki/Silica_cycle
• Physical Geology (S. Earle), chap. 5.2, altération chimique des silicates. https://opentextbc.ca/geology/chapter/5-2-chemical-weathering/