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Voyage au cœur des minéraux du manteau

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Voyage au cœur des minéraux du manteau

Du fluor et de l’eau dans les minéraux du manteau terrestre

 

Le système « Terre » est riche en éléments chimiques en tout genre répartis entre ses différents réservoirs (atmosphère, hydrosphère, croûte, manteau supérieur, manteau inférieur). Marc Blanchard et Hélène Bureau, chargés de recherche CNRS, et Étienne Balan, chargé de recherche IRD, travaillent à l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD). En collaboration avec l'ISTEP-UPMC et le LEEL du CEA de Saclay, ils s’intéressent au cycle global des éléments dits volatils tels que l’hydrogène, le carbone, le fluor, le chlore ou le soufre, qui sont à la fois présents à la surface du globe, une zone relativement bien étudiée, et dans la partie interne profonde, plus difficilement accessible.

 

L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’Univers, qui forme le plus de composés chimiques sur Terre : on le retrouve dans l’eau (sous toutes ses formes) mais aussi dans les minéraux et les magmas. Le volcanisme extrait l'eau du manteau au niveau des dorsales océaniques, des arcs et des îles volcaniques à l'aplomb des points chauds. Au fond des océans, l'altération hydrothermale enrichit la croûte en eau, puis la subduction entraîne cette croûte hydratée dans le manteau. Les phases couramment évoquées pour le transfert de l'eau vers le manteau sont les minéraux hydratés. Cependant, ces phases minérales se concentreraient seulement dans certaines régions du manteau, et il est généralement considéré que la majeure partie du manteau est composée de minéraux nominalement anhydres.

 

Depuis le début des années 1970, nous savons que ces minéraux contiennent de petites quantités d'hydrogène allant de la dizaine à quelques centaines de ppm en poids d'H2O. Du fait de leur abondance dans la Terre profonde, ces phases minérales jouent un rôle important dans le bilan total d’eau dans le manteau. Au-delà de la quantité maximale que ces minéraux mantelliques peuvent contenir (solubilité), il est également essentiel de savoir comment à l’échelle moléculaire cet hydrogène est incorporé au sein de la structure cristalline. En effet, ces mécanismes d’incorporation ont des conséquences sur les propriétés physiques des minéraux et des roches qu’ils constituent (propagation des ondes sismiques, conductivité électrique …). Il en est de même pour les autres éléments volatils tels que les halogènes (F, Cl, Br …), dont le cycle est bien moins contraint encore, bien que ces éléments soient présents en quantités significatives à la surface de la Terre (roches sédimentaires, eau de mer…).

 

Le cycle interne de l'eau (d'après Gillet, 1999, Bull. Soc. géol. France, n° spécial, 21-23).

 

Afin de déterminer les quantités d’hydrogène et de fluor que peuvent renfermer les minéraux du manteau et les mécanismes d’incorporation impliqués, les scientifiques ont recours à trois approches complémentaires : l’étude d’échantillons naturels, l’étude d’échantillons synthétisés à haute pression et haute température, et la modélisation moléculaire.

 

Étude d’échantillons naturels

Il est impossible de creuser pour atteindre les roches mantelliques, mais certains volcans avec une source de magma profonde, peuvent ramener à la surface des morceaux de roches (xénolithes). Il est alors possible d’analyser la composition chimique des minéraux constituants ces roches (olivine, pyroxènes, grenat), en particulier la teneur en hydrogène et fluor à l’aide de différentes techniques (analyses par faisceau d’ions, spectroscopie infrarouge). Ces analyses fournissent également de précieux indices sur la forme moléculaire de ces éléments.

 

  

Exemple de roches du manteau supérieur : olivine (transparent), grenat (rouge), pyroxènes (verts). © J. Ingrin

 

Étude d’échantillons synthétiques

Il est possible de reproduire en laboratoires les conditions de pression et température prévalant dans le manteau terrestre en utilisant différents types d’instruments expérimentaux : presses piston-cylindres, presses multi-enclumes, ou cellule à enclumes de diamant. Ces technologies permettent de synthétiser des cristaux à partir de systèmes chimiques bien contraints. Cette approche expérimentale offre la possibilité de déterminer les limites d’incorporation (solubilités), de déconvoluer les informations issues des échantillons naturels, et de fournir des observables indispensables pour la modélisation moléculaire.

 

Spectromètre infrarouge équipé d'un microscope et d'un cryostat permettant l'analyse de l'hydrogène en faible concentration dans les échantillons. D. R.

 

Modélisation moléculaire

Des codes de calcul initialement développés pour la physique des solides sont appliqués ici à la minéralogie. Ceci permet de tester des modèles structuraux, de déterminer leurs stabilités relatives, de confronter les propriétés calculées et observées, en particulier les spectres enregistrés en infrarouges. Il a ainsi été montré que le mécanisme d’incorporation du fluor dans l’olivine fait intervenir des défauts mixtes hydroxyle-fluorure.

 

Exemple de défaut cristallin dans l’olivine : trois atomes de fluor (vert) et un atome d’hydrogène (noir) formant un groupement hydroxyle, viennent se substituer à un atome de silicium. D. R.

 

S’il est maintenant connu que dans les minéraux mantelliques, l'hydrogène est incorporé sous forme de groupements hydroxyles au sein de leur structure cristalline, cette approche combinée a permis de décrire le mécanisme d’incorporation du fluor dans l’olivine et renforce l’hypothèse d’un stockage du fluor dans les minéraux silicatés principaux du manteau à l’état de traces et non dans des phases minérales accessoires (ex. amphiboles) comme cela était supposé auparavant.

 

Pour en savoir plus :

Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD/MNHN)Nouvelle fenêtre

 

Référence

"Clumped fluoride-hydroxyl defects in forsterite: Implications for the upper-mantle"

Céline Crépisson, Marc Blanchard, Hélène Bureau, Chrystèle Sanloup, Anthony C. Withers, Hicham Khodja, Suzy Surblé, Caroline Raepsaet, Keevin Béneut, Clémence Leroy, Paola Giura, Etienne Balan

Earth and Planetary Science Letters 390 (2014)

 

À lire : un Zoom Science (IMPMC), Fluor et eau : un mariage de raison dans le manteauNouvelle fenêtre



19/05/14