Interaction des cycles profonds de l’hydrogène et du carbone

Après l'eau, le dioxyde de carbone est le deuxième composé volatil2 le plus important dans la Terre profonde. L’hydrogène et le carbone jouent tous deux un rôle clé dans l'évolution de la Terre en influençant fortement les propriétés chimiques et physiques des minéraux, des matières fondues et des fluides. Les matériaux sédimentaires ainsi que les roches altérées qui constituent les plaques en subduction transportent à la fois l'hydrogène et le carbone, ainsi que d'autres substances volatiles éventuellement jusqu'à la limite noyau-manteau. Le transport de ces éléments au travers de la zone de transition jusqu’au manteau inférieur a d’ailleurs fait l'objet de nombreuses études mais reste un sujet de débats.

Pour avoir une compréhension plus complète de l'influence mutuelle des deux composés volatils principaux H₂O et CO₂ dans la Terre profonde, des expériences ont été réalisées sur la goethite, une phase porteuse d’hydrogène (FeOOH), en présence de CO₂. Ces expériences ont été réalisées en cellules à enclumes de diamants à des pressions de 110 GPa (plus de 1 million de fois la pression atmosphérique correspondant à près de 3000 km de profondeur dans la Terre).

Lors d'un chauffage par laser infra-rouge à 2000 K, les mesures par diffraction de rayons X in situ sous haute pression et température montrent que la goethite se transforme en une phase de structure pyrite et de formule FeO₂Hx. où x est une variable variant entre 0 et 1 avec des valeurs plutôt proches de 0.6. Chauffé à plus haute température, au-delà de 2300 K toujours à ~110 GPa, comme dans une plaque en subduction dite "chaude", le CO₂ réagit avec FeO₂Hx pour former une phase carbonatée de haute pression : Fe₄C₃O₁₂ dans laquelle le carbone est présent sous la forme de groupements tétraédriques CO₄.
Cette réaction de carbonatation de FeO₂Hx s’accompagne de la production d’eau dans le manteau profond. Il s’agit là d’un nouveau mécanisme de production d’hydrogène sous forme d’eau qui pourrait être à l’origine de phénomènes de magmatisme dans le manteau inférieur et de modifications de l'état mécanique et d'oxydo-réduction du manteau très profond.

Ces résultats montrent en outre que les phases carbonatées contenant des groupements tétraédriques CO₄ et par ailleurs riches en fer sont de bonnes candidates pour transporter du CO₂ dans le manteau profond jusqu'à la limite noyau-manteau.

• 2"volatil" signifie ici une forte affinité pour les enveloppes superficielles de la planète: son atmosphère et son océan