[News] Du fer réduit en conditions oxydantes dans le manteau terrestre

Biologie, géologie, histoire naturelle, etc...

Modérateur : Modérateurs

Redbran
Messages : 1059
Inscription : 16/05/2015 - 10:01:33
Activité : Profession libérale ou Indépendant

[News] Du fer réduit en conditions oxydantes dans le manteau terrestre

Message par Redbran » 20/03/2019 - 14:00:33

Les oxydes de fer sont des constituants essentiels des intérieurs planétaires. D'après les modèles géochimiques actuels, la formation de ces oxydes est directement liée à l'activité de l’oxygène: une activité élevée favorisant la formation de fer ferrique (Fe3+), tandis qu’une activité faible induit la formation de fer à l'état ferreux (Fe2+), voire métallique (Fe). Ce concept est aujourd’hui remis en question par une équipe franco-américaine de chercheurs, issus entre autre du Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, Sorbonne Université/CNRS/Muséum National d'Histoire Naturelle/IRD): celle-ci a découvert au sein du manteau terrestre du fer réduit formé dans des conditions oxydantes (FeO2Hx). Les conséquences pour les cycles internes du carbone et de l’eau pourraient être majeures.

Image
La réaction de matériel hydraté (hydrated slab), soit avec le fer métallique contenu dans le manteau inférieur, soit avec le fer métallique du noyau (core), résulte en la formation d’une phase de structure pyrite, FeO2Hx, dans le manteau terrestre (mantle).
Matériaux complexes et importants de la structure interne de la Terre, les oxydes de fer prennent de nombreuses formes. Parmi elles, la wüstite (Fe2+O) et l’hématite (Fe3+2O3) ont longtemps été considérées comme les pôles purs des états ferreux et ferrique du fer. Selon les modèles géochimiques actuellement répandus, c'est l'activité thermodynamique de l'oxygène qui est directement responsable de la forme ferrique ou ferreuse des minéraux de fer. Ainsi, une activité thermodynamique élevée de l’oxygène induit des conditions oxydantes, garatissant la formation de Fe3+. A contrario, une faible activité de l’oxygène favorise la formation de d'états réduits du fer (le fer ferreux Fe2+, voire le fer métallique Fe).

Pourtant une nouvelle forme d'oxyde de fer vient remettre en cause ces modèles généraux: FeO2Hx est une phase de structure cristalline de type pyrite riche en oxygène, stable aux conditions de pression et température du manteau terrestre, et dans laquelle le fer est majoritairement sous forme de Fe2+. Autrement-dit, du fer réduit en conditions oxydantes a été découvert dans le manteau terrestre.

La phase de formule chimique FeO2Hx, où x est compris entre 0 et 1, résulte de la réaction entre du fer métallique avec de l’eau, ou de la transformation de la goethite (Fe3+OOH), sous des pressions et températures correspondant à ~1800 km de profondeur dans le manteau terrestre. Cette phase, récemment découverte, peut par exemple se former par transformation profonde de matériel subducté hydraté. En supposant que l'oxygène soit sous la forme d’ion oxyde O2−, ce qui est implicite dans tous les modèles géochimiques actuels, l’état de valence du fer dans FeO2Hx serait compris entre Fe3+ et Fe4+. Toutefois, plusieurs études récentes ont montré que la phase FeO2Hx cristallisait dans une structure pyrite. Par analogie structurale avec la pyrite (FeS2), dans laquelle Fe est essentiellement sous forme de Fe2+ et le soufre sous la forme de dimère S22-, FeO2Hx pourrait en fait être composé de cations Fe2+ et d’ion peroxydes O22−.

Au cours de cette étude, les chercheurs ont sondé l’état d’oxydation du fer lors de la transformation de Fe3+OOH en FeO2Hx, grâce à la spectroscopie d’absorption des rayons X in situ en cellule à enclumes de diamant chauffée par laser infrarouge. Pour comparaison, des mesures ont également été effectuées sur Fe2+O et Fe23+O3 dans les mêmes conditions de pression et température. Les mesures ont été effectuées au synchrotron de l’ESRF à Grenoble sur la ligne de lumière ID 24.

Image
Les mesures spectroscopiques au seuil K du fer dans FeO2Hx, démontrent qu’au-delà de 1800 km de profondeur, du fer ferreux (Fe2+) peut être stabilisé pour des conditions riches en oxygène tel que dans FeO2Hx.
Dans la goethite Fe3+OOH, le matériau de départ, chauffée à 1600-1800 K sous pression modérée (64 GPa), soit hors du domaine de stabilité de FeO2Hx ; la position du seuil K d’absorption des rayons X du fer reste proche de celle dans Fe23+O3, confirmant la prédominance de Fe3+ dans la phase stable à ces conditions de pression et température (ϵ-FeOOH).

A plus haute pression (91 GPa), dans le domaine de stabilité de FeO2Hx, les analyses par spectroscopie montrent en revanche que la position du seuil K du fer est décalée de -3.3 eV, devenant proche de celle dans Fe2+O aux mêmes conditions. Une telle évolution indique la réduction du fer en Fe2+ lors de la transformation de FeOOH en FeO2Hx. Ce qui renforce l’intuition cristallochimique que l'oxygène est présent dans cette phase de structure pyrite sous forme d’anion peroxyde (O2-2) avec un degré d’oxydation de -1. Ce dernier point restera toutefois à vérifier par d’autres techniques.

Ces mesures spectroscopiques constituent donc des arguments forts pour un état de valence ferreux (Fe2+) du fer pour des compositions riches en oxygène (imposé par la goethite Fe3+OOH de départ) et ceci dans les conditions de pression et température du manteau inférieur de la Terre. Cette observation devra être prise en compte pour modéliser la fugacité de l’oxygène, c’est-à-dire l’état rédox, du manteau inférieur de la Terre. Les conséquences pour les cycles internes du carbone (formation de diamants ultra-profonds) et de l’eau (relarguage d’hydrogène dans le manteau inférieur) dans ce milieu extrême pourraient ainsi se révéler considérables.

Référence publication:
E. Boulard, M. Harmand, F. Guyot, G. Lelong, G. Morard, D. Cabaret, S. Boccato, A. D. Rosa, R. Briggs, S. Pascarelli, G. Fiquet. Ferrous Iron Under Oxygen‐Rich Conditions in the Deep Mantle Geophysical Research Letters (2019) doi: 10.1029/2019GL081922

Contact chercheuse:
Églantine Boulard, IMPMC

Source: CNRS-INSU

Avatar de l’utilisateur
cisou9
Messages : 9931
Inscription : 12/03/2006 - 15:43:01
Activité : Retraité
Localisation : Pertuis en Lubéron
Contact :

Re: [News] Du fer réduit en conditions oxydantes dans le manteau terrestre

Message par cisou9 » 21/03/2019 - 11:11:37

____________ :_salut:
J'aimerais savoir ce que cette découverte nous apporte dans la vie de tous les jours ? ___ :_grat2: ___
Image
Le nouveau site est intéressant car il recadre les grandes images. ____ ;) ____
Un homme est heureux tant qu'il décide de l'être et nul ne peux l'en empêcher.
Alexandre Soljenitsyne.

Répondre