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Dans l'océan de magma de la Terre, la chimie du carbone se complique

Exemples de liaison du carbone au fer et au silicium dans la pyrolite fondue à 4000 K
Publication

Résumé

Publication du Laboratoire de géologie de Lyon - Terre, planètes, environnement (LGL-TPE) dans la revue Nature communications le 15 février 2019.

Description

Les estimations actuelles du flux de carbone à l’intérieur de la Terre – entre l’atmosphère, la surface, le manteau et le noyau – sont très variables et la quantité totale de carbone stockée dans des réservoirs profonds cachés et fermés est inconnue.

Comprendre les formes sous lesquelles le carbone a existé dans la Terre primitive en fusion est une étape cruciale dans la quantification du bilan du carbone dans les profondeurs de l'intérieur de la Terre.
Il faut d’abord estimer quelles ont étés les quantités perdues dans l’espace et dans l’atmosphère par évaporation, ou absorbées dans le noyau lors de sa formation.
Et la réponse à ces questions passe par comprendre qu’est-ce que s’est passé avec le carbone présent dans l’océan de magma.

Cet océan s’est formé suite á la condensation de la Terre à partir du disque protolunaire (le disque qui était le résultat de l’Impact Géant). Il devait avoir une composition chimique très proche de la composition moyenne de l’entièreté de la Terre silicatée. Mais en plus il devait contenir une certaine quantité des volatiles, tels que par exemple CO et CO2.

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Exemples de liaison du carbone au fer et au silicium dans la pyrolite fondue à 4000 K

Nous avons utilisé des calculs de dynamique moléculaire ab initio pour étudier le comportement du carbone en fonction de la température et de la pression dans cet océan de magma. Nous avons observé, comme attendu, la croissance de la coordinance du carbone par l’oxygène : l'abondance des espèces de CO2 et de CO3 diminue au détriment du CO4. Mais, à notre grande surprise, nous avons trouvé une image bien plus compliquée avec l’existence des polymères complexes oxo-carbone (CxOy) présentant plusieurs liaisons C-C. Ceux-ci correspondent à une polymérisation des atomes de carbone, qu’on peut interpréter comme des précurseurs de la formation des diamants par précipitation directe. Plus inattendu encore, le carbone se lie aux atomes de Fe ou même directement aux atomes de Si, se substituant à l’oxygène. Tous ces complexes ont des long temps de vie et montrent la richesse de la chimie du carbone même aux hautes pressions et températures spécifiques su fond de l’océan de magma. Et plus encore, la présence d'amas de Fe-C suggère que, lors de la formation du noyau terrestre, les goutes métalliques riches en Fe pouvait capturer une fraction importante du carbone du silicate liquide, entraînant ainsi son transport dans le noyau terrestre, ou il sera logé jusqu’à ce jour.

Source : Carbon sequestration during core formation implied by complex carbon polymerization. Solomatova NV, Caracas R, Manning CE (2019). Nature Communications doi: 10.1038/s41467-019-08742-9

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