(a) Tétrairon (III) orthocarbonate Fe4C3O12 et (b) diiron (II) diiron (III) tétracarbonate Fe4C4O13, à température ambiante et 74(1) et 97(2) GPa, respectivement. Dans un), trois prismes bicapuchonnés FeO8 (vert clair) et trois tétraèdres CO4 (marron) forment un anneau à symétrie triple par partage des coins et des bords. Les anneaux forment des couches qui sont empilées le long de l'axe c. Les prismes FeO6 (vert foncé) sont reliés par des bases triangulaires et situés dans les canaux créés par les anneaux. En (b), Les prismes bi-coiffés FeO8 (bleu) sont connectés dans un cadre 3-D par des dimères de prismes monocoiffés FeO7 à bord partagé (vert clair) et des chaînes C4O1310 en forme de zigzag (brun). Crédit :Valerio Cerantola
L'examen des conditions à l'intérieur de la Terre est crucial non seulement pour nous donner une fenêtre sur l'histoire de la Terre, mais aussi pour comprendre l'environnement actuel et son avenir.
Cette étude, Publié dans Communication Nature , offre une explication de la descente du carbone dans les profondeurs de la Terre. "Les régions de stabilité des carbonates sont essentielles pour comprendre le cycle profond du carbone et le rôle de la Terre profonde dans le cycle mondial du carbone." dit Léonid Dubrovinsky, de l'Université de Bayreuth.
C'est là que l'ESRF, le Synchrotron Européen de Grenoble, La France. entre en jeu. "Les rayons X intenses de l'ESRF nous permettent d'accéder aux conditions extrêmes de l'ensemble du manteau terrestre." souligne Valerio Cerantola, auteur principal, ancien doctorant à l'Université de Bayreuth et aujourd'hui chercheur postdoctoral à l'ESRF.
Au cours du siècle dernier, l'augmentation rapide de la quantité de CO2 dans l'atmosphère ainsi que le changement climatique observé ont de plus en plus attiré l'attention des scientifiques sur le cycle du carbone et son évolution à la surface de la Terre. Le cycle du carbone s'étend également sous la surface :des estimations récentes situent jusqu'à 90 % du bilan carbone de la Terre dans le manteau et le noyau de la Terre. En raison de la nature dynamique des mouvements des plaques tectoniques, convection et subduction, il y a un recyclage constant de carbone entre la surface de la Terre et son intérieur profond.
Valerio Cerantola, auteur correspondant au laboratoire haute pression de la ligne de lumière ESRF ID18. Crédit :ESRF/C.Argoud
Dans cette étude, l'équipe de recherche s'est concentrée sur les phases carbonatées, qui sont l'un des principaux minéraux carbonés du manteau profond. Les carbonates sont un groupe de minéraux qui contiennent l'ion carbonate (CO32-) et un métal, comme le fer ou le magnésium. Les scientifiques ont étudié le comportement d'un carbonate de fer pur, FeCO3 (appelé sidérite), dans des conditions extrêmes de température et de pression couvrant l'ensemble du manteau terrestre, soit plus de 2500 K et 100 GPa, ce qui correspond à environ un million de fois la pression atmosphérique.
"Ce carbonate de fer est particulièrement intéressant en raison de sa stabilité dans des conditions de manteau inférieures en raison de la transition de spin. De plus, la chimie cristalline des carbonates à haute pression est radicalement différente de celle des conditions ambiantes." explique Elena Bykova, de l'Université de Bayreuth.
Afin d'étudier la stabilité du FeCO3, l'équipe de recherche a réalisé des expériences à haute pression et haute température sur trois lignes de lumière ESRF :ID27, ID18 et ID09a (maintenant ID15b). "La combinaison des multiples techniques nous a donné des ensembles de données uniques qui nous ont finalement permis de découvrir de nouveaux porteurs C à l'intérieur de la Terre profonde et de montrer le mécanisme derrière leur formation", explique Cerantola. Un essai expérimental a été réalisé sur la ligne de lumière 13ID-D de l'APS.
Valerio Cerantola, auteur correspondant et chercheur postdoctoral à l'ESRF, à la ligne de lumière haute pression ESRF ID27. Crédit :ESRF
Lors du chauffage de FeCO3 à des températures géothermiques terrestres à des pressions allant jusqu'à environ 50 GPa, Le FeCO3 s'est partiellement dissocié et a formé divers oxydes de fer. A des pressions plus élevées, au-dessus de ~75 GPa, les scientifiques ont découvert deux nouveaux composés - l'orthocarbonate de tétrafer (III), Fe43+C3O12, et diiron (II) diiron (III) tétracarbonate, Fe22+Fe23+C4O13 (Figure 1). ?
"Il y avait des prédictions théoriques, mais jusqu'à présent, les informations expérimentales sur les structures des carbonates à haute pression ont été trop limitées (et même controversées) pour spéculer sur la chimie des cristaux de carbonate. Nos données montrent que si la structure cristalline de Fe22+Fe23+C4O13 peut être trouvée dans les silicates, aucun analogue de Fe43+C3O12 n'est trouvé dans la nature." souligne Bykova.
Ils ont également découvert qu'une phase, le tétracarbonate Fe4C4O13, montre une stabilité structurelle sans précédent et maintient sa structure même à des pressions le long de l'ensemble du géotherme à des profondeurs d'au moins 2500 km, qui est proche de la limite entre le manteau et le noyau. Il a ainsi démontré que les réactions d'auto-oxydation-réduction peuvent préserver les carbonates dans le manteau inférieur de la Terre ? (Figure 1, a et b). "L'étude montre l'importance des réactions d'oxydation et de réduction (redox) dans le cycle profond du carbone, qui sont inévitablement liés à d'autres cycles volatils comme l'oxygène." souligne Catherine McCammon, de l'Université de Bayreuth.
