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Des nouvelles découvertes sur les flux de carbone dans le manteau terrestre et les diamants superprofonds

Diamant de la région de Kankan en Guinée.

Le carbone, élément rare sur Terre mais fondamental pour la vie, circule entre l’atmosphère, les océans et la surface des continents selon un cycle rapide. Présent dans l’air sous forme de dioxyde de carbone, il contribue au maintien de l’effet de serre radiatif, sans lequel la Terre aurait été gelée dès sa jeunesse. Mais il est également présent dans la croûte et le manteau, en des proportions qu’il est évidemment difficile de connaître avec exactitude. Une partie de ce carbone circule selon un cycle long. Il joue donc un rôle important dans les climats de la Terre à des échelles de temps géologiques. D’autre part, du carbone provenant du manteau terrestre est émis par les volcans, sous forme de CO2, D’autre part, du carbone inclus dans les planchers des océans s’enfonce dans le manteau grâce à la subduction des plaques océaniques. Sans ce flux descendant de carbone, les volcans n’émettraient plus de CO2. Mais jusqu’à quelle profondeur peut-il descendre ? Et les rares diamants qui ont cristallisé à des profondeurs supérieures à 250 km ont-ils un rapport avec ce flux ? Une étude publiée dans la revue Nature vient d’apporter une réponse à ces questions.

Voir Le cycle du carbone

Le carbone est entraîné dans le manteau par la croûte océanique altérée

Son auteur principal est Margo Regier, doctorante à la faculté des sciences atmosphériques et de la Terre de l’université d’Alberta au Canada, sous la direction de Graham Pearson et Thomas Stachel. En 2019, ces deux chercheurs ont publié un article qu’il est important de connaître pour comprendre de quelle manière le carbone s’enfonce dans le manteau. Les plaques océaniques sont recouvertes de sédiments comportant de la matière organique dont la particularité est d’être appauvrie en carbone 13, l’isotope stable lourd du carbone. Cet élément comporte 98,93 % de carbone 12 et 1,07 % de carbone 13. Ce carbone a été allégé parce qu’il est issu de la photosynthèse, qui sélectionne de préférence l’isotope 12. Il est partiellement transformé en diamant, ce qui peut paraître fascinant puisqu’il a été l’un des principaux éléments constitutifs d’êtres vivants, mais c’est un processus naturel. Le diamant n’est que la forme (l’allotrope, dans le langage scientifique) que prend le carbone pur dans le manteau profond.

99 % des diamants exploités proviennent du manteau lithosphérique subcontinental (SCLM), représenté en vert parce que ses roches sont des péridotites. Ils sont situés sous les cratons : les anciennes croûtes continentales comme celles de l’Afrique du Sud, de la Sibérie et du Canada. Dans les croûtes océaniques en subduction, des diamants se forment également, surtout dans la zone superficielle en gris clair. Leur carbone provient de « carbonates normal » ou de carbonate d’origine biologique. Le SCLM comporte également des éclogites représentées en gris. Selon Pearson & Stachel, 2019.

Les roches de la croûte océanique, basaltes et gabbros, sont métamorphisées en éclogites à quelques dizaines de kilomètres de profondeur. Dedans, il existe des diamants qui sont allégés en carbone 13. Pour être plus précis, on utilise un indicateur qui s’appelle le δ13C (le delta C 13) et qui vaut par définition 0 ‰ pour les ions bicarbonate de l’eau de mer. Les diamants en question ont un δ13C inférieur à ‒ 20 ‰ (moins 20 pour mille), ce qui indique une origine organique. Cependant, il existe aussi des diamants dont le δ13C est voisin de 0 ‰. On pourrait penser qu’ils proviennent du calcaire (du carbonate de calcium CaCO3) qui a précipité à partir des ions carbonate dans l’eau, mais sous la profondeur de compensation des carbonates, à environ 5 000 mètres, ces minéraux sont dissous.

Il y a des carbonates dans la croûte océanique, mais ils résultent de son altération hydrothermale. De l’eau chaude circule dedans et altère le verre et les cristaux d’olivine et de feldspath plagioclase du basalte, ce qui libère des ions calcium et magnésium. Ceux-ci se combinent avec les ions carbonate de l’eau de mer pour former de la calcite et d’autres minéraux. Il se constitue également des argiles, des zéolites, des hydroxydes de fer, etc. Les forages effectués dans les planchers océaniques ont montré que ces carbonates sont abondants dans la partie superficielle de la croûte, moins dans les parties plus profondes. En étudiant 80 échantillons de croûte altérée, Pearson et Stachel ont trouvé que ces carbonates se forment à une température de moins de 100 °C. Certain ont un δ13C « normal », c’est-à-dire presque nul, tandis que d’autres un δ13C descendant jusqu’à ‒ 24 ‰, ce qui indique une origine biologique. Le flux de carbone entraîné par la subduction a été estimé à environ 1 500 milliards de moles par an, soit 18 Gt/an (gigatonnes par an). Ce n’est pas négligeable en comparaison des autres flux, mais les océans contiennent beaucoup de carbone : environ 38 000 Gt.

D’après ces deux chercheurs, c’est la croûte océanique altérée qui alimente le manteau en carbone, et non les sédiments. Le carbone que ceux-ci comportent retourne majoritairement dans l’atmosphère par le volcanisme d’arc, sous forme de CO2 : la subduction d’une plaque océanique fait toujours naître un arc volcanique sur la plaque chevauchante. La ceinture de feu du Pacifique en fournit des exemples.

Voir Le manteau supérieur de la Terre comprend des poches de magma riches en carbone

Cristallisation des diamants et de leurs inclusions minérales

Une partie des diamants se forment à partir de ces carbonates. Le processus commence par leur dissolution dans les fluides du manteau. Ce sont l’eau et le dioxyde de carbone, tous les deux à l’état supercritiques à cause des températures et pressions élevées. En présence de ces fluides, les carbonates commencent à devenir stables à des profondeurs variant entre 30 et 50 km. La dolomite CaMg(CO3) est la forme stable jusqu’à 90 km. Elle est ensuite remplacée par la magnésite MgCO3, qui peut subsister jusqu’à la base du manteau à 2 900 km de profondeur. Cependant, quand les températures sont suffisamment élevées, les roches du manteau supérieur (les péridotites) peuvent fondre partiellement. Le magma produit, dans lequel le carbone s’incorpore immédiatement, contribue à la genèse des diamants.

Diamant de Kankan analysé dans l’étude. Il contient des inclusions de ferropericlase utilisés dans l’étude. Photo Anetta Banas.

Ils contiennent parfois des inclusions minérales qui diminuent leur valeur aux yeux des joaillers mais les rend précieux pour les géologues, car ils fournissent des indications sur leur origine. Dans les éclogites des plaques océaniques en subduction, ce sont des grenats. Des diamants naissent aussi dans le manteau lithosphérique subcontinental : la partie inférieure des plaques lithosphériques, constituée de péridotites rigides (mais aussi de quelques éclogites), située sous de vieilles croûtes continentales. Ils sont également porteurs de grenats. Ces diamants représentent 99 % de la production.

Entre 410 et 660 km de profondeur, s’étend la zone de transition. Les rares diamants qui en sont originaires comportent des inclusions de majorite, un minéral caractéristique de cette zone qui a une structure cubique de type grenat. Le premier diamant de ce type a été découvert en 1985 dans la mine de Monastery, en Afrique du Sud. En fait, les majorites sont transformées par la baisse de pression lors de l’ascension des diamants.

Il existe des diamants provenant du manteau inférieur, à plus de 660 km de profondeur. Les principaux minéraux y sont la bridgmanite (Mg,Fe)SiO3 et le ferropericlase (Mg,Fe)O. Dans leur étude, Margo Regier et ses collaborateurs ont utilisé des diamants de la région de Kankan en Guinée qui comportent des inclusions d’enstatite et de ferropericlase. Cet enstatite (un orthopyroxène) est une bridgmanite qui a perdu sa structure cristalline lors de son ascension.

Localisation de Kankan en Guinée. Ce pays est situé sur le craton ouest-africain.

Entre 410 et 660 km de profondeur, les diamants cristallisent à partir de la croûte océanique subduite

Dans les inclusions de tous ces diamants, les chercheurs ont mesuré les concentrations en oxygène 16 et en oxygène 18. Cet élément possède trois isotopes stables, l’oxygène 16 ayant une abondance supérieure à 99,7 % et l’oxygène 17, le plus rare, n’étant pas pris en compte dans les études géochimiques. Comme avec le carbone, on définit un δ18O. Il vaut 0 ‰ pour l’eau de mer et de 25 à 35 ‰ (35 pour mille) pour les « carbonates normaux » de la croûte océanique altérée. Celle-ci est donc beaucoup plus riche en oxygène 18 que l’eau de mer. Les diamants provenant de la zone de transition en sont également enrichis, ce qui s’explique par leur processus de formation.

La partie supérieure de la croûte océanique (éclogitique) subduite, riche en carbonate, fond en produisant un magma carbonatitique. Les diamants et leurs inclusions de majorite cristallisent pendant l’interaction de ce magma avec des roches riches en métaux du manteau. Si la cristallisation se fait dans ou à proximité de la croûte, l’interaction avec le manteau est limitée et les majorites ont des compositions éclogitiques et des δ18O élevés (compris entre 7 et 12 ‰), reflétant directement la source du magma, à savoir la croûte océanique altérée. Si, en revanche, le magma migre dans le manteau, l’interaction est plus forte, les majorites ont des compositions reflétant celle du manteau et les δ18O se resserrent autour de la valeur 9 ‰. Ils se rapprochent du δ18O du manteau, qui vaut environ 5,5 ‰.

Les diamants du manteau inférieur cristallisent à partir du carbone qui existe sur place, mais peut-être grâce à l’eau libérée par la croûte océanique

Les diamants originaires de la partie supérieure du manteau inférieur ne montrent au contraire aucun enrichissement en oxygène 18 : le δ18O de leurs inclusions d’enstatite est compris entre 5,3 et 5,8 ‰. Ce sont les valeurs du manteau. Les chercheurs ont supposé que le carbone de ces diamants ne provient pas de la croûte océanique mais du manteau inférieur, où l’on suppose qu’il est présent avec une concentration de 16 à 500 ppm (partie par million). Dans ce milieu réduit qu’est le manteau inférieur, ce carbone serait associé aux métaux, qui en constitueraient 1 % de la masse. Le fer serait présent sous les formes non oxydées que sont le fer métallique (constituant l’essentiel du noyau terrestre) et le carbure de fer. En entrant dans le manteau inférieur, la croûte se déshydraterait et l’eau ainsi libérée déstabiliserait les alliages de métaux porteurs de carbone. Elle mobiliserait le carbone de manière suffisante pour permettre la cristallisation de diamants, sans pour autant leur apporter de l’oxygène 18.

L’absence de signature crustale dans ces diamants fait conclure aux auteurs de l’étude que le carbone entraîné par les plaques océaniques en subduction ne descend pas dans le manteau inférieur. Il reste dans la zone de transition. Mais il faudrait ajouter que ces plaques sont peu nombreuses à franchir la limite des 660 km. La plupart restent définitivement au-dessus. La frontière entre le manteau supérieur et le manteau inférieur est pour elles infranchissables.

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Li Kan, Li Long, Graham Pearson & Thomas Stachel, Diamond isotope compositions indicate altered igneous oceanic crust dominates deep carbon recycling, Earth and Planetary Science Letters 516, 190-201- 2019.

Margo E. Regier et al., The lithospheric-to-lower-mantle carbon cycle recorded in superdeep diamonds, Nature, 9 September 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2676-z

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