Où se trouvent les volatils manquants ? - Le manteau inférieur terrestre comme possible réservoir
Publié par Isabelle le 03/03/2020 à 14:00
Source et illustration: CNRS INSU
D'après les calculs des équilibres géochimiques une grande quantité de volatils incluant les gaz rares n'aurait pas été dégazée lors de l'accrétion terrestre. Cette quantité de volatils serait stockée dans des réservoirs profonds tels que le manteau inférieur, la couche Dʺ ou bien le noyau terrestre. Cependant, en raison du manque de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) expérimentales, en particulier des coefficients de partage entre phases solides et liquides des éléments volatils, l'existence même de ces réservoirs reste fortement débattue.


Graphe illustrant le comportement physico-chimique du krypton pendant le refroidissement de l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau salée. En fait, il s'agit plutôt d'un volume, dont l'eau est en permanence renouvelée par des courants marins. Approximativement...) magmatique lors de l'Hadéen (compressibilité, compatibilité et comportement de partage). Les différentes caractéristiques du Kr peuvent expliquer ses concentrations actuelles dans différents réservoirs 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 quatre...)

Une étude récente menée dans le cadre d'une collaboration entre plusieurs laboratoires (LMV/OPGC, UCA/CNRS/IRD à Clermont-Ferrand, IMPMC, Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège...) Université/CNRS, Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) et le synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) européen ESRF à Grenoble) a montré que les minéraux du manteau inférieur terrestre possèdent une capacité de stockage en gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un...) rares (argon, krypton et xénon) compatible avec les données géochimiques. Pour aboutir à ce résultat, les scientifiques ont effectué des expériences de solubilités aux conditions extrêmes 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 température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) correspondant à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les époques. Entre les pays de...) noyau - manteau. Ces travaux ont permis d'établir que le stockage de volatils dans le noyau terrestre est peu probable. Ils ont également permis de proposer un scénario d'intégration des volatils lors de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation de la...) de la Terre. Cette étude a des implications sur l'évolution géochimique et géodynamique de la Terre et fournit des informations importantes sur le budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) global en volatils de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en...).

Les gaz rares sont des marqueurs géochimiques importants permettant la reconstruction de la distribution en volatils au cours des périodes géologiques. Leurs rapports isotopiques mesurés dans les basaltes des îles océaniques et des dorsales océaniques (OIB et MORB) démontrent l'existence de deux réservoirs de volatils différents dans le manteau terrestre: une source pauvre en volatils (MORB) et un réservoir primordial plus riche provenant des panaches mantelliques (OIB). Cependant, la taille et la localisation des réservoirs profonds sont toujours sujettes à débats. Cela est lié aux difficultés d'identification de la région source des OIB et à l'absence d'échantillons naturels qui permettraient de reconstruire les processus de rétention des volatils qui se sont produits lors de l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) terrestre.

La présente étude révèle que le manteau terrestre profond avait la capacité de retenir les gaz rares pendant la cristallisation de l'océan magmatique et qu'il pourrait représenter un réservoir important de gaz rares. Les scientifiques ont étudié expérimentalement la solubilité du krypton dans la ferropériclase (Mg,Fe)O (2ème phase la plus importante du manteau inférieur) et dans différents alliages métalliques dans les conditions du manteau inférieur (115 GPa et 3700 K). Ces conditions ont été atteintes en utilisant la 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 pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est...) chauffée avec des lasers. Des mesures quantitatives ont ensuite été effectuées par spectroscopie d'absorption des rayons X (La spectrométrie d'absorption des rayons X aide à déterminer la structure d'un matériau. Elle a l'avantage d'être sélective quant à l'espèce atomique observée.) et par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à...) électronique.

Les données obtenues montrent que la ferropériclase peut retenir jusqu'à 3% en poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la...) de krypton représentant un ordre de grandeur supérieur par rapport au noyau externe liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de la Terre. En utilisant des données récentes de compressibilité (La compressibilité est une caractéristique d'un corps, définissant sa variation relative de volume sous l'effet d'une pression appliquée. C'est une valeur très grande pour les gaz, faible pour les liquides et...) des gaz rares, ils ont en outre démontré que la substitution du krypton dans le site anionique de (Mg1-x, Fex)O sous forme de défauts Schottky est possible dans les conditions du manteau inférieur. Les concentrations relatives du néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.), de l'argon, du krypton et du xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une...) stockées dans la ferropériclase et la bridgmanite ont été estimées à partir de la modélisation de la déformation de leur réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud...) cristallin. Ces concentrations sont en bon accord avec les estimations basées sur les concentrations de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...) 3 dans les basaltes des îles océaniques ou les concentrations radiogéniques de l'argon 40 de la Terre profonde et suggèrent que le manteau inférieur profond est un réservoir potentiel de gaz rares.

Les résultats mettent en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) le processus de distribution des volatils aux premiers stades de la formation de la Terre, lorsque la planète était complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à...) en fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules...) et pendant la période de l'océan magmatique qui s'est sans doute produite après le dernier impact géant sur Terre formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement....) la lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km....). Lors de la cristallisation et de la différenciation de l'océan magmatique qui a produit le noyau et le manteau terrestre, des gaz rares peuvent avoir été incorporés dans la structure cristalline des minéraux du manteau inférieur. Comme les panaches provenant de la couche Dʺ n'ont que des interactions limitées dans le manteau inférieur, les éléments volatils peuvent donc rester piégés dans les phases du manteau profond au cours des périodes géologiques.

Référence:
Rosa A.D., Bouhifd M.A., Morard G., Briggs R., Garbarino G., Irifune T., Mathon O. and Pascarelli S. (2020). Krypton storage capacity of the Earth's lower mantle. Earth and Planetary Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir...) Letters 532, 116032. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.116032

Contacts:
- Angelika ROSA (Rosa peut désigner :), ESRF, Grenoble, France - angelika.rosa at esrf.fr
- Ali Bouhifd, Laboratoire Magmas et Volcans, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / UCA / OPGC / IRD - ali.bouhifd at uca.fr
Page générée en 0.255 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique