Les températures et les pressions élevées du manteau terrestre forgent des minéraux riches en carbone appelés carbonates en diamant. Mais on en sait moins sur le sort des carbonates qui voyagent encore plus profondément sous terre, des profondeurs à partir desquelles aucun échantillon n'a jamais été récupéré.

Maintenant, Susannah Dorfman de la Michigan State University et son équipe découvrent une réponse avec des outils de laboratoire qui imitent ces conditions extrêmes.

"Ce qui nous intéressait, c'est quand le carbone n'est-il pas le diamant ? », a ajouté Dorfman. Dans un article récemment publié dans Communication Nature , les scientifiques du laboratoire de minéralogie expérimentale de Dorfman à la MSU ont redéfini les conditions dans lesquelles les carbonates peuvent exister dans le manteau inférieur de la terre, élargir notre compréhension du cycle profond du carbone et de l'évolution de la Terre.

"La circulation du carbone et des minéraux de la surface de la Terre par subduction à la base du manteau terrestre se produit depuis des milliards d'années, " dit Dorfman, professeur adjoint au Département des sciences de la Terre et de l'environnement, ou EES, au Collège des sciences naturelles et co-auteur de l'article. "Notre laboratoire demande, « Comment pouvons-nous utiliser des expériences pour prédire à quoi cela ressemble et le suivre chimiquement ? »"

Pendant la subduction, les carbonates de surface - pensez aux squelettes de calcaire et de corail - faites du stop sur des dalles de roche froides plongeant sous la croûte terrestre grâce à un mouvement tectonique alimenté par la chaleur du manteau. Certains carbonates fondent et sont rejetés dans l'atmosphère par les volcans. Certains descendent plus bas et sont pressés en diamants.

Mais certains carbonates le rendent encore plus profond, vers la frontière entre le manteau et le noyau de la planète presque 1, 800 milles sous la surface. L'équipe de Dorfman était intéressée à connaître leur sort. Les recherches précédentes de l'équipe ont montré que certains carbonates pouvaient en effet échapper à la fonte ou à la transformation en diamants dans un bain chaud, environnement pauvre en oxygène comme la frontière noyau-manteau, mais personne ne savait jusqu'à présent quelle forme ils prendraient dans un vrai rocher.

Dans l'étude, Dorfman et co-auteur Mingda Lv, un doctorant EES en cinquième année, ont mené des expériences très complexes pour synthétiser la roche du manteau et éclairer pour la première fois le sort de ces carbonates profondément subductés.

« Pour ce projet, nous voulions savoir comment le carbonate coexisterait avec la majorité des silicates du manteau lorsqu'il était subducté au manteau inférieur, " Lv a dit. "Nous avons conçu les expériences pour étendre les conditions de pression et de température sur ces minéraux à des régimes élevés, simulant des conditions à la frontière noyau-manteau de la Terre.

Leurs expériences nécessitaient un appareil fait d'un matériau avec la tolérance à la pression la plus élevée de toutes les substances sur Terre :des diamants.

"La cellule à enclume de diamant, même si c'est quelque chose que vous pouvez tenir dans votre main, nous donne les pressions les plus élevées dans n'importe quel laboratoire sans utiliser d'explosions, " a déclaré Dorfman. "Tout ce que nous savons sur ce qui se passe au centre des planètes dépend de cet appareil."

Dorfman et Lv ont assemblé avec succès des disques minces de carbonate et de silicate comme un sandwich entre les deux diamants de la cellule à enclume de diamant. Puis, ils ont serré les disques ensemble comme un panini minéral et ont utilisé de puissants lasers pour les chauffer à des températures allant jusqu'à 4, 500 F.

Le résultat était quelque chose que personne ne pensait possible, une forme synthétisée de roche carbonate de calcium hautement pressurisée qui pourrait exister dans des conditions du manteau inférieur.

« Avant cette étude, l'idée était que vous ne devriez jamais avoir de carbonate de calcium dans la terre profonde, mais seulement dans un environnement peu profond où il n'a pas atteint de grandes profondeurs, " Dit Dorfman. "Nos expériences montrent que vers la base du manteau, la réaction chimique change de direction et échange des minéraux comme des partenaires de danse carrée - le magnésium et le calcium échangent leurs partenaires carbonate et silicate produisant du carbonate de calcium et du carbonate de magnésium.

La taille de leur roche nouvellement synthétisée n'était que la largeur d'un cheveu humain, et les cristaux individuels composant la roche étaient jusqu'à 1, 000 fois plus petit. A lire entre les diamants, Dorfman et Lv avaient besoin du couteau le plus tranchant et de la lumière la plus brillante qu'ils pouvaient trouver.

Ils ont utilisé la technologie d'accélérateur de particules extrêmement puissante du laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois pour focaliser la lumière des rayons X sur un point minuscule et illuminer ce qu'ils avaient créé. Puis, avec l'aide de collaborateurs de l'Institut de Physique de la Terre de Paris et du Centre de Caractérisation des Matériaux de l'Université du Michigan, ils ont utilisé des faisceaux d'ions pour découper la nouvelle roche en sections transversales.

Finalement, en utilisant les techniques de microscopie électronique de pointe au Centre de microscopie avancée de MSU, ils ont réussi à caractériser la distribution élémentaire de leurs échantillons récupérés.

"Sans ces laboratoires, nous n'aurions jamais pu observer directement ce qui se passe dans nos expériences, " Lv a déclaré. "Notre collaboration avec ces installations est un point culminant de l'étude."

"Nous savons qu'une grande majorité du carbone terrestre n'est pas dans l'atmosphère, c'est à l'intérieur, mais notre estimation de combien et où dépendent principalement des mesures des réactions chimiques, " a ajouté Dorfman. " Les travaux de Mingda Lv montrent que le carbonate de calcium peut être stable dans les conditions du manteau et fournit un nouveau mécanisme à prendre en compte lorsque nous créons des modèles du cycle du carbone à l'intérieur de la terre. "