Diamants et rouille à la frontière noyau-manteau de la Terre

L’acier rouille par l’eau et l’air à la surface de la Terre. Mais qu’en est-il au plus profond de l’intérieur de la Terre ?

Le noyau terrestre est le plus grand stockage de carbone sur Terre – environ 90 % y sont enfouis. Les scientifiques ont montré que la croûte océanique qui repose sur les plaques tectoniques et tombe à l’intérieur, par subduction, contient des minéraux hydratés et peut parfois descendre jusqu’à la limite noyau-manteau. La température à la limite noyau-manteau est au moins deux fois plus chaude que la lave et suffisamment élevée pour que l’eau puisse être libérée des minéraux hydratés. Par conséquent, une réaction chimique similaire à la rouille de l’acier pourrait se produire à la frontière noyau-manteau de la Terre.

Byeongkwan Ko, un récent doctorat de l’Arizona State University. diplômé, et ses collaborateurs ont publié leurs découvertes sur la frontière noyau-manteau en Lettres de recherche géophysique. Ils ont mené des expériences à l’Advanced Photon Source du Laboratoire national d’Argonne, où ils ont comprimé l’alliage fer-carbone et l’eau à la pression et à la température attendues à la limite noyau-manteau de la Terre, faisant fondre l’alliage fer-carbone.

Les chercheurs ont découvert que l’eau et le métal réagissent et produisent des oxydes de fer et des hydroxydes de fer, tout comme ce qui se passe avec la rouille à la surface de la Terre. Cependant, ils ont constaté que pour les conditions de la frontière noyau-manteau, le carbone sort de l’alliage fer-métal liquide et forme du diamant.

« La température à la frontière entre le manteau de silicate et le noyau métallique à 3 000 km de profondeur atteint environ 7 000 F, ce qui est suffisamment élevé pour que la plupart des minéraux perdent H2O capturé dans leurs structures à l’échelle atomique », a déclaré Dan Shim, professeur à l’ASU’s School of Exploration de la Terre et de l’Espace. « En fait, la température est suffisamment élevée pour que certains minéraux fondent dans de telles conditions. »

Parce que le carbone est un élément qui aime le fer, on s’attend à ce qu’une quantité importante de carbone existe dans le noyau, tandis que l’on pense que le manteau contient relativement peu de carbone. Cependant, les scientifiques ont découvert qu’il existe beaucoup plus de carbone dans le manteau que prévu.

« Aux pressions attendues pour la frontière noyau-manteau de la Terre, l’alliage d’hydrogène avec du fer métallique liquide semble réduire la solubilité d’autres éléments légers dans le noyau », a déclaré Shim. « Par conséquent, la solubilité du carbone, qui existe probablement dans le noyau de la Terre, diminue localement là où l’hydrogène pénètre dans le noyau à partir du manteau (par déshydratation). La forme stable du carbone dans les conditions de pression-température de la frontière noyau-manteau de la Terre est le diamant. Ainsi, le carbone s’échappant du noyau externe liquide deviendrait du diamant lorsqu’il entrerait dans le manteau. »

« Le carbone est un élément essentiel à la vie et joue un rôle important dans de nombreux processus géologiques », a déclaré Ko. « La nouvelle découverte d’un mécanisme de transfert de carbone du noyau vers le manteau éclairera la compréhension du cycle du carbone dans l’intérieur profond de la Terre. C’est encore plus excitant étant donné que la formation de diamants à la frontière noyau-manteau aurait pu être qui dure depuis des milliards d’années depuis le début de la subduction sur la planète. »

La nouvelle étude de Ko montre que le carbone s’échappant du noyau vers le manteau par ce processus de formation de diamants peut fournir suffisamment de carbone pour expliquer les quantités élevées de carbone dans le manteau. Ko et ses collaborateurs ont également prédit que des structures riches en diamants peuvent exister à la limite noyau-manteau et que des études sismiques pourraient détecter les structures car les ondes sismiques devraient se déplacer à une vitesse inhabituelle pour les structures.

« La raison pour laquelle les ondes sismiques devraient se propager exceptionnellement rapidement à travers les structures riches en diamant à la frontière noyau-manteau est que le diamant est extrêmement incompressible et moins dense que les autres matériaux à la frontière noyau-manteau », a déclaré Shim.

Ko et son équipe continueront d’étudier comment la réaction peut également modifier la concentration d’autres éléments légers dans le noyau, tels que le silicium, le soufre et l’oxygène, et comment ces changements peuvent avoir un impact sur la minéralogie du manteau profond.