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Une nouvelle source d’hydrocarbures dans le cycle profond du carbone

Publication du LGL dans Nature
Publié le : 13 juin 2017
Vtte-Carbone.jpg L’acétate est une molécule simple à deux atomes de carbone, que l’on retrouve dans de nombreux environnements naturels, dans les océans, les lacs et les saumures associés aux réservoirs de pétrole par exemple. Elle est impliquée dans de nombreuses réactions biochimiques cellulaires (incluant la fermentation avec la fabrication du vinaigre). L’ubiquité de l’acétate conduit à le retrouver fréquemment dans les pores des sédiments, y compris ceux qui entre en subduction. Aux températures typiques des zones de subduction et relative basse pression, on pensait jusque très récemment que le carbone transporté dans les zones de subduction se transformait en dioxyde de carbone et méthane. Récemment, une étude thermodynamique sur la formation des diamants a montré que l’acétate pouvait potentiellement être stable dans le manteau terrestre.

Des chercheurs du laboratoire de Géologie de Lyon (LGL-TPE - CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon1) et du Department of Earth and Planetary Sciences (Johns Hopkins University) ont donc testé cette hypothèse à Lyon et procédé à des expériences en cellule à enclumes de diamant, sur la plateforme nationale de spectroscopie Raman de l’INSU installée à l’ENS de Lyon. Une solution aqueuse d’acétate de sodium a été comprimée dans une cellule à enclume de diamant, jusqu’à 3,5 GPa (35 000 fois la pression atmosphérique). A haute pression, la solution a été chauffée à 300°C pendant parfois 60 heures, et par spectroscopie Raman in situ, les chercheurs ont suivi la transformation progressive de l’acétate et identifié les nouveaux composés formés.



AVANT (à gauche). Vue de la chambre expérimentale dans une cellule à enclume de diamant (encadré) au début de l'expérience : elle ne contient qu'une solution aqueuse d’acétate de sodium et un marqueur de pression (bille de rubis). APRÈS (à droite). Après 67 heures à 300°C et 3GPa, on note la formation de cristaux de carbonate de sodium (Na2CO3) et de nombreuses goutelettes d’hydrocarbure immiscible. On voit, en surimpression, le spectre Raman d'une bulle après un retour rapide aux conditions ambiantes de pression et température. On identifie essentiellement de l’isobutane avec un peu de méthane, d’éthane et de propane.
Photo HC

Après quelques heures seulement, des gouttelettes d’hydrocarbure immiscible sont apparues, qui contiennent essentiellement de l’isobutane avec un peu de méthane, d’éthane et de propane. Environ 45% de l’acétate s’est transformé en isobutane liquide à haute pression mais il reste immiscible dans l’eau. Aussi est-il possible que l’isobutane puisse migrer indépendamment de l’eau, facilitant la circulation du carbone dans le cycle profond.

A la suite de cette découverte expérimentale, une modélisation thermodynamique plus large a étudié la transformation de l’acétate en présence de trois types de roches, dans des conditions de pression et de température plus vastes, afin de se rapprocher des conditions complexes de l’intérieur de la Terre. Le modèle prédit des quantités d’isobutane un peu inférieures à celles obtenues en cellule à enclumes de diamant, mais confirme que les hydrocarbures dont l’isobutanes devraient être stables dans les conditions de haute pression des zones de subduction. Ainsi, après leur formation dans le manteau les hydrocarbures pourraient migrer vers la croûte terrestre, où ils vont probablement se transformer en méthane et dioxyde de carbone, et fournir une source de carbone et d’énergie aux microbes de la biosphère profonde. Dans le cas où ces hydrocarbures et l’acétate seraient emportés à plus grande profondeur, ils pourraient contribuer à la formation des diamants.

Cette découverte questionne l’état du carbone dans le manteau terrestre et des planètes plus généralement. L’existence d’une fraction d’hydrocarbure permet évidemment une plus grande mobilité et potentiellement l’alimentation d’une biosphère profonde.

Références :
Immiscible hydrocarbon fluids in the deep carbon cycle. Fang Huang, Isabelle Daniel, Hervé Cardon, Gilles Montagnac & Dimitri A. Sverjensky. Nature Communications 8, doi:10.1038/ncomms15798

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Mise à jour le 13 juin 2017
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