À la surface de la Terre, le carbone est présent sous forme de matière organique et de carbonates, ainsi que dans l’atmosphère sous forme de CO2 et dans l’eau des océans. Le calcaire et l’aragonite sont des carbonates de calcium ; la dolomite est un carbonate de calcium et de magnésium. Ces sédiments se déposent sur le plancher des océans et sont entraînés dans le manteau par la subduction des plaques océaniques. Les géologues supposent l’existence de poches de magma riches en carbonate dans le manteau supérieur. Pour vérifier cette hypothèse, une équipe de scientifiques a étudié la vitesse des ondes sismiques et la densité d’une dolomite fondue à une température de 1773°C et une pression de 5,9 GPa, des conditions régnant dans le manteau supérieur. Ces résultats ont été étendus par le calcul jusqu’à 2726 °C et 16 GPa. Le manteau terrestre étant connu par l’étude des ondes sismiques qui le traversent, les scientifiques ont trouvé que du magma comprenant 0,05 % de carbonate est présent de manière généralisée dans le manteau supérieur, à des profondeurs allant de 180 à 330 km, impliquant une concentration moyenne de 80 à 140 ppm (partie par million, soit de 0,008 à 0,014 %). Le manteau supérieur va jusqu’à 660 km de profondeur et la zone de transition commence à 410 km de profondeur.
De nouvelles découvertes géologiques sur la composition du manteau terrestre aident les scientifiques à mieux comprendre la stabilité du climat à long terme et même la façon dont les ondes sismiques se déplacent à travers les couches de la planète.
Les recherches menées par une équipe comprenant des scientifiques de la Case Western Reserve University se sont concentrées sur le « cycle du carbone profond », partie du cycle global par lequel le carbone se déplace à travers les différents systèmes de la Terre.
En termes simples, le cycle du carbone profond comporte deux étapes :
- Le carbone de surface, principalement sous forme de carbonates, est amené dans le manteau profond par la subduction des plaques océaniques dans les fosses océaniques.
- Ce carbone est ensuite renvoyé dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone (CO2) par la fonte du manteau et les processus de dégazage du magma dans les volcans
Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que des corps partiellement fondus de ce carbone sont largement répartis dans le manteau solide de la Terre.
Ce qu’ils n’ont pas entièrement compris, c’est jusqu’où ils peuvent se trouver dans le manteau, ou comment le mouvement géologiquement lent de la matière contribue au cycle du carbone à la surface, qui est nécessaire à la vie elle-même.
Un lien étroit entre le carbone et le changement climatique
« Le cycle du carbone entre la surface et les profondeurs est essentiel pour maintenir le climat de la Terre dans la zone habitable sur le long terme, c’est-à-dire sur des centaines de millions d’années », a déclaré James Van Orman, professeur de géochimie et de physique minérale au College of Arts and Sciences de Case Western Reserve et auteur de l’étude, récemment publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.
« Actuellement, nous avons une bonne compréhension des réservoirs de carbone en surface, mais nous en savons beaucoup moins sur le stockage du carbone dans les profondeurs, qui est également essentiel à son cycle ».
Selon M. Van Orman, cette nouvelle recherche a montré, sur la base de mesures expérimentales des propriétés acoustiques des carbonates fondus et de la comparaison de ces résultats avec les données sismologiques, qu’une petite fraction (moins d’un dixième de pourcent) des carbonates fondus est susceptible d’être présente dans tout le manteau à des profondeurs d’environ 180 à 330 km.
« Sur la base de cette inférence, nous pouvons maintenant estimer la concentration de carbone dans la partie supérieure profonde du manteau et en déduire que ce réservoir contient une grande masse de carbone, plus de 10 000 fois la masse de carbone de l’atmosphère terrestre », a déclaré M. Van Orman.
C’est important, a déclaré M. Van Orman, car les changements progressifs de la quantité de carbone stockée dans ce grand réservoir, en raison de l’échange avec l’atmosphère, pourraient avoir un effet correspondant sur le CO2 dans l’atmosphère – et donc, sur le changement climatique à long terme.
Le premier auteur de l’article est Xu Man, qui a fait une grande partie du travail en tant que doctorant à la Case Western Reserve et qui est maintenant un chercheur postdoctoral à l’Université de Chicago.
Les autres participants au projet sont issus de la Florida State University, de l’Université de Chicago et de la Southern University of Science and Technology (SUSTech) à Shenzhen, en Chine.
Expliquer les différences de vitesse des ondes sismiques
Cette recherche jette également un éclairage sur la sismologie, en particulier la recherche sur la Terre profonde.
L’une des façons dont les géologues comprennent le mieux les profondeurs de la Terre est de mesurer comment les ondes sismiques générées par les tremblements de terre – des ondes de compression rapides et des ondes de cisaillement lentes – se déplacent à travers les couches de la Terre.
Les scientifiques se demandent depuis longtemps pourquoi la différence de vitesse entre les deux types d’ondes sismiques – les ondes P et les ondes S – atteint des profondeurs d’environ 180 à 330 kilomètres dans la Terre.
Les magmas riches en carbone semblent répondre à cette question : de petites quantités de ces magmas pourraient être dispersées dans le manteau supérieur profond et expliqueraient le changement de vitesse, car les ondes se déplacent différemment à travers les magmas.
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Traduction d’un communiqué de presse de la Case Reserve Western University.
Xu Man et al., High-pressure elastic properties of dolomite melt supporting carbonate-induced melting in deep upper mantle. Proceedings of the National Academy of Sciences, August 4, 2020.
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