L'origine des diamants terrestres
Publié par Adrien le 09/06/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSU
Depuis des décennies, la communauté scientifique s'interroge sur le mystère de la croissance des diamants issus des profondeurs terrestres. Bien qu'il soit aujourd'hui admis que les diamants sont issus de fluides profonds, de nombreuses questions restent encore posées et sont aujourd'hui très débattues: quelle est la nature de ces fluides, leur composition, leur origine ? Pourquoi les diamants ont-ils des morphologies différentes ? Quel est le mécanisme de croissance des diamants, est-il le même partout dans le manteau terrestre ? Pour tenter de répondre à ces questions cruciales, des chercheurs de l'IMPMC, de l'IPGP et du GEOTOP (Montréal) ont utilisé une approche expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il...) originale faisant appel à des expériences à hautes pressions et températures et à des caractérisations par nanoSIMS. Ils ont ainsi pu montrer que les diamants sont formés à partir de carbonates dissous dans deux types de fluides, aqueux et silicatés et permettent ainsi de comprendre la croissance des diamants de la lithosphère (La lithosphère (littéralement, la « sphère de pierre ») est la partie superficielle et rigide du matériau dont sont faits les astres telluriques, dont la Terre, Mars, Vénus, Mercure, etc. Elle est divisée en un...) 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 plus massive des...), à 150-200 km de profondeur.

Dans la Terre, nous connaissons différents types de diamants dont les plus connus sont les diamants monocristallins ou gemmes et les diamants fibreux (il existe aussi des diamants poly-cristallins et des micro-diamants dans les roches métamorphiques ou encore des carbonados). Alors que les diamants fibreux sont opaques tant ils contiennent d'impuretés, environ 2 % des diamants gemme (Une gemme est une pierre fine, précieuse ou ornementale ou n'importe quelle matière très dure ou colorée ayant l'aspect de ces pierreries et utilisée comme ornement.) naturels contiennent des impuretés, dites inclusions. Ces inclusions sont bien souvent des petits minéraux ou des fluides préservés au sein des diamants. Si ces impuretés sont la bête noire des diamantaires, elles sont une véritable bénédiction pour les chercheurs, car elles constituent d'authentiques échantillons intacts du manteau profond, renseignant à la fois sur ce manteau inaccessible pour l'être humain, mais aussi sur les mécanismes de formation des diamants naturels dans le manteau, à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) encore inconnus.

Grâce à des expériences réalisées dans les conditions de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) de formation des diamants mantelliques de la lithosphère (7 GPa, 1300-1400°C), il est possible de reproduire des diamants contenant des inclusions similaires à celles trouvées dans les diamants naturels: une recette a été trouvée permettant de reproduire le naturel ! Pour cela un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) de silicates, de carbonates, et de graphite dans beaucoup d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) a été additionné à de petits noyaux de diamants faisant office de précurseurs. Au cours des expériences réalisées dans des presses multi-enclumes, de nouvelles couches de diamants contenant des inclusions micrométriques se sont formées sur ces noyaux en présence de deux fluides immiscibles, un silicate liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des...) aqueux. Des inclusions similaires à celles trouvées dans les diamants monocristallins ("gemmes") et dans les diamants fibreux. De petits diamants se sont également spontanément formés dans le fluide de croissance, certains pouvant même être, à leur tour, piégés en inclusions dans le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système...) en cours de croissance sur noyau préexistant. Ces expériences montrent que tous les types de diamants peuvent être formés à partir des mêmes types de fluides qui percolent dans le manteau.


Image MEB (microscopie électronique à balayage) de la surface d'un noyau de diamant après expérience de quatre heures (L'heure est une unité de mesure  :) à 7 GPa et 1400°C. On distingue de petits octaèdres de diamants spontanément formés dans le fluide puis piégés en tant qu'inclusions avec des carbonates (globules blancs) dans le diamant en cours de croissance. Schéma du principe de découpe par faisceau d'ions focalisés (FIB) et image MEB d'une plaquette résultante avec zones d'inclusions au centre repérées par des flèches, la signature isotopique en 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.) de ces zones est analysée par nanoSIMS. Echelle 2 µm.

Il restait à identifier qui du carbonate ou du graphite est la source en carbone des diamants. C'est chose faite grâce à l'analyse de la composition isotopique des nouveaux diamants en carbone (13C), qui exprime la proportion des isotopes 12 et 13 du carbone. L'analyse de la composition isotopique de ces diamants micrométriques piégés en inclusions a permis d'identifier le carbone source des diamants et leur mécanisme de croissance. Les diamants mantelliques possèdent des caractéristiques bien particulières, ils ont une signature isotopique en carbone constante, dite "mantellique", centrée à 13C = −50/00 ± 10/00. Parce qu'il est montré que lorsqu'un diamant se forme à haute température il ne fractionne pas ou très peu ses isotopes en carbone par rapport à la source et parce que le graphite et les carbonates ont des signatures isotopiques bien distinctes, les nano-analyses ont montré que la source de carbone des diamants est le carbonate et que la croissance se produit à l'équilibre isotopique. Un fractionnement de -2.70/00 par rapport à la source a été mesuré ce qui signifie que la croissance des diamants est un processus redox et non une simple "précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus...)" comme suggéré dans de récentes études. Ils permettent d'expliquer pourquoi la composition de la majorité des diamants lithosphériques est centrée à −50/00, une composition héritée de leurs fluides parents communs et non de l'assemblage minéralogique du manteau.

Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives sur notre connaissance du mécanisme de formation des diamants dans la Terre, ils montrent que des fluides riches en eau peuvent exister en profondeur dans le manteau supérieur mais peut être aussi dans la zone de transition et le manteau inférieur comme récemment démontré par l'étude d'inclusions riches en eau et de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) piégées dans des diamants naturels "ultra-profonds" dont le mécanisme de croissance reste à caractériser.
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