Une nouvelle source d'hydrocarbures dans le cycle profond du carbone
Publié par Adrien le 14/06/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSU
L'acétate est une molécule simple à deux atomes de carbone, que l'on retrouve dans de nombreux environnements naturels, dans les océans, les lacs et les saumures associés aux réservoirs de pétrole par exemple. Elle est impliquée dans de nombreuses réactions biochimiques cellulaires (incluant la fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme d'énergie directement...) avec la fabrication du vinaigre). L'ubiquité de l'acétate conduit à le retrouver fréquemment dans les pores des sédiments, y compris ceux qui entre en subduction (La subduction est le processus d'enfoncement d'une plaque tectonique sous une autre plaque de densité plus faible, en général une plaque océanique sous...). Aux températures typiques des zones de subduction et relative basse pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), on pensait jusque très récemment que le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) transporté dans les zones de subduction se transformait en dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la formule brute est : CO2. C'est donc un...) et méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est principalement...). Récemment, une étude thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La...) sur la formation des diamants, a montré que l'acétate pouvait potentiellement être stable dans le manteau terrestre. Des chercheurs du laboratoire de Géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et λογος (logos, « parole »,...) de Lyon (LGL-TPE - CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un...) Lyon1) et du Department of Earth and Planetary Sciences (Johns Hopkins University) ont donc testé cette hypothèse à Lyon par des expériences en cellule à enclumes de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute...).

Une solution aqueuse d'acétate de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux...) a été comprimée dans une cellule à enclume de diamant, jusqu'à 3,5 GPa (35 000 fois la pression atmosphérique). A haute pression, la solution a été chauffée à 300°C pendant parfois 60 heures (L'heure est une unité de mesure  :), et par spectroscopie Raman in situ, les chercheurs ont suivi la transformation progressive de l'acétate et identifié les nouveaux composés formés.


Vu de la chambre expérimentale dans une cellule à enclume de diamant (encadré) au début de l'expérience ne contenant qu'une solution aqueuse d'acétate de sodium et un marqueur de pression (bille de rubis). / Crédits: H.Cardon (Le cardon est une plante herbacée bisannuelle de la famille des Astéracées, cultivée comme plante potagère pour ses « côtes »...)

Après quelques heures seulement, des gouttelettes d'hydrocarbure immiscible sont apparues, qui contiennent essentiellement de l'isobutane avec un peu de méthane, d'éthane et de propane. Environ 45% de l'acétate s'est transformé en isobutane liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à haute pression mais il reste immiscible dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Aussi est-il possible que l'isobutane puisse migrer indépendamment de l'eau, facilitant la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du carbone dans le cycle profond.

A la suite de cette découverte expérimentale, une modélisation thermodynamique plus large a étudié la transformation de l'acétate en présence de trois types de roches, dans des conditions de pression et de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) plus vastes, afin de se rapprocher des conditions complexes de l'intérieur de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la...). Le modèle prédit des quantités d'isobutane un peu inférieures à celles obtenues en cellule à enclumes de diamant, mais confirme que les hydrocarbures dont l'isobutanes devraient être stables dans les conditions de haute pression des zones de subduction.


Vu de la chambre expérimentale après 67 heures à 300°C et 3GPa. On note la formation de cristaux de carbonate de sodium (Na2CO3) et de nombreuses goutelettes d'hydrocarbure immiscible. En surimpression, le spectre Raman d'une bulle après un retour rapide aux conditions ambiantes de pression et température. On identifie essentiellement de l'isobutane avec un peu de méthane, d'éthane et de propane. / Crédits: H.Cardon

Ainsi, après leur formation dans le manteau les hydrocarbures pourraient migrer vers la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui...), où ils vont probablement se transformer en méthane et dioxyde de carbone, et fournir une source de carbone et d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) aux microbes de la biosphère (La notion de biosphère désigne à la fois un espace et un processus auto-entretenu (jusqu'à ce jour et depuis plus de 3 milliards d'années) sur la planète Terre, et qu'on ne connait que sur cette planète ; Le processus est...) profonde. Dans le cas où ces hydrocarbures et l'acétate seraient emportés à plus grande profondeur, ils pourraient contribuer à la formation des diamants.

Cette découverte questionne l'état du carbone dans le manteau terrestre et des planètes plus généralement. L'existence d'une fraction d'hydrocarbure permet évidemment une plus grande mobilité et potentiellement l'alimentation d'une biosphère profonde.
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