Stabilité de phases carbonatées en conditions mantelliques : implications pour le cycle géodynamique du carbone - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Carbonates stability at lower mantle conditions: implications for the deep carbon cycle

Stabilité de phases carbonatées en conditions mantelliques : implications pour le cycle géodynamique du carbone

Résumé

Carbon is recycled into the deep Earth mainly as carbonates, therefore stability of carbonates during the subduction in the deep mantle plays a key role in the geodynamic carbon cycle. The goal of this thesis is to provide new experimental information concerning constraints on the stability of carbonates at pressure and temperature conditions relevant to the Earth's lower mantle. In this experimental study, samples were synthesized at high-pressure and high-temperature in diamond anvil cells and analysed in situ by X-ray diffraction. Once quenched to room pressure (P) and temperature (T), samples were prepared using the focused ion beam (FIB) method for ex situ analyses: transmission electron microscopy and transmission X-ray microscopy. This study shows a high stability of carbonates versus decarbonatation and provides evidence of two new high-pressure polymorphs of carbonates: (1) a new high-pressure phase described in the case of a FeCO3 starting material. This phase is observed for pressure and temperature above 40 GPa-1500K (corresponding to depth within the Earth of about 1000 km). (2) A second phase described in the case of (Fe,Mg)CO3 solid solutions for P-T conditions above 80 GPa-2000 K, in agreement with previous theoretical studies. Ex situ analyses show that carbon in these two new high-pressure phases is present as CO4 tetrahedral groups and iron in its oxidized form Fe(III). The presence of Fe(II) in starting materials induces redox reactions from which Fe(II) is oxidized and a part of the carbon is reduced. This leads to an assemblage of magnetite, diamonds, and carbonates or their Fe(III) - bearing high-pressure polymorphs. Our results show the possibility for carbon to be recycled in the lowermost mantle and provide evidence of a possible coexistence of reduced and oxidized carbon at lower mantle conditions. This latter result might be important for better modelling redox state and melting in the Earth's lowermost mantle.
Le carbone est recyclé dans le manteau terrestre majoritairement sous forme de carbonates. La stabilité des carbonates lors de la subduction dans le manteau profond joue donc un rôle majeur sur le cycle géodynamique du carbone. Ce travail de thèse apporte de nouvelles contraintes expérimentales sur la stabilité des carbonates pour des conditions de pression et température pertinentes pour le manteau inférieur terrestre. Pour ce faire, les échantillons ont été synthétisés à haute-pression et hautetempérature en cellule à enclumes en diamants et analysés de manière in situ par diffraction de rayons X. Une fois ramenés à pression et température ambiante, les échantillons ont été préparés par faisceau d'ions focalisés (focused ion beam-FIB) afin d'être analysés ex situ par microscopie électronique à transmission et microscopie de rayons X en transmission. Cette étude a permis de montrer la grande stabilité des phases carbonatées par rapport à la décarbonatation et de mettre en évidence deux nouvelles phases de haute-pression des carbonates : (1) une phase obtenue dans le cas d'une composition de départ FeCO3 dès 40 GPa-1500 K (équivalent à ~1000 km de profondeur). (2) une deuxième phase décrite dans une solution solide (Fe,Mg)CO3 pour des conditions supérieures à 80 GPa-2000 K en accord avec certaines prédictions théoriques. Dans ces deux nouvelles phases de haute-pression, les études ex situ montrent la présence de carbone sous la forme de groupements tétraédriques CO4 et le fer sous la forme oxydée Fe(III). La présence de fer dans la composition des carbonates induit, en effet, des réactions d'oxydoréduction dans lesquelles le fer est oxydé et le carbone partiellement réduit. Il en résulte alors un assemblage à haute-pression de magnétite, diamant et de carbonate ou leurs polymorphes de haute-pression. Nos résultats montrent donc la possibilité pour le carbone d'être recyclé jusqu'à la base du manteau et prouvent que la coexistence de carbone oxydé et carbone réduit dans les conditions du manteau inférieur est possible. Ce résultat est essentiel pour de futures modélisations de l'état d'oxydoréduction et de la fusion du manteau profond.
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Dates et versions

tel-00669781 , version 1 (13-02-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00669781 , version 1

Citer

Eglantine Boulard. Stabilité de phases carbonatées en conditions mantelliques : implications pour le cycle géodynamique du carbone. Géophysique [physics.geo-ph]. Institut de physique du globe de paris - IPGP, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00669781⟩
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