Diamonds and rust at the Earth’s core-mantle boundary

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

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

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

Les chercheurs ont découvert que l’eau et le métal réagissent pour produire des oxydes et des hydroxydes de fer, un peu comme la rouille se produit à la surface de la Terre. Cependant, ils ont constaté que pour les conditions aux limites noyau-manteau, le carbone quitte l’alliage fer-métal liquide et forme du diamant.

“La température à la frontière entre le manteau de silicate et le noyau métallique à 3000 km de profondeur atteint environ 7000 F, ce qui est suffisamment élevé pour que la plupart des minéraux perdent du H_deuxOu capturés dans leurs structures à l’échelle atomique”, a déclaré Dan Shim, professeur à l’École d’exploration de la Terre et de l’espace de l’ASU. “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, une quantité importante de carbone devrait exister dans le noyau, tandis que le manteau contiendrait relativement peu de carbone. Cependant, les scientifiques ont découvert qu’il y a 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 liquide semble réduire la solubilité d’autres éléments légers dans le noyau”, a déclaré Shim. “Ainsi, la solubilité du carbone, qui existe probablement dans le noyau terrestre, diminue localement là où l’hydrogène pénètre dans le noyau depuis le manteau (via la déshydratation). La forme stable du carbone dans les conditions de pression et de température de la frontière entre le noyau terrestre et le manteau est du 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 à l’intérieur profond de C’est d’autant plus excitant que la formation de diamants à la frontière noyau-manteau pourrait avoir duré des milliards d’années depuis le début de la subduction de la planète.”

La nouvelle étude de Ko montre que la fuite de carbone du noyau vers le manteau par ce processus de formation de diamants peut fournir suffisamment de carbone pour expliquer les grandes quantités de carbone dans le manteau. Ko et ses collaborateurs ont également prédit que des structures riches en diamants pourraient exister à la limite noyau-manteau et que des levés 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 diamants 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 affecter la minéralogie du manteau profond.