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Sonder la structure atomique des verres volcaniques avec le rayonnement synchrotron

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Le dioxyde de carbone (CO2) est un élément omniprésent dans les systèmes volcaniques sur Terre. Une grande quantité du CO2 volcanique est transportée depuis le manteau jusqu’à la surface de la Terre par des roches singulières appelées kimberlites, dont les magmas peuvent remonter à la vitesse du son depuis l'intérieur de la Terre et sont par ailleurs renommés pour transporter également les diamants…

Des chercheurs du Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes  et de l’Institut des Sciences de la Terre d'Orléans ont pu étudier la structure atomique de ces kimberlites sur la ligne de lumière LUCIA, dans le but de mieux comprendre le comportement du CO2 dans ces roches, et, ainsi, son rôle dans le cycle géochimique du Carbone.

Le cycle géochimique du Carbone (C), c’est-à-dire les transferts de C depuis l’intérieur de la Terre jusque dans l’atmosphère terrestre, est soumis à différentes contraintes liées notamment aux conditions de pression, température et composition chimique des milieux où se trouve le C. Le comportement du CO2 dans les systèmes magmatiques profonds participe à ces contraintes. Si ce comportement est relativement bien compris dans les systèmes magmatiques kimberlitiques d’un point de vue macroscopique (i.e. solubilité), à l’échelle microscopique il reste plusieurs zones d’ombre comme notamment :

1) déterminer les mécanismes de dissolution du CO2 (présent sous forme ionique CO32-), ainsi que :

 2) l’environnement atomique proche (i.e. alcalins et/ou alcalino-terreux) des groupements CO32-pour ces compositions kimberlitiques très pauvres en silice et riches en CO2.

Pour une série de verres kimberlitiques (figure 1) synthétisés sous conditions de hautes pressions (jusqu’à 4 GPa, soit 120 km de profondeur) et présentant des teneurs en CO2 allant jusqu’à 17 poids.%, les chercheurs ont étudié l’environnement atomique du Mg et du Ca par l’intermédiaire des méthodes XANES et EXAFS sur la ligne de lumière LUCIA afin de déterminer si le CO2 avait une affinité plus prononcée pour l’un ou l’autre de ces éléments.

Figure 1 : échantillon de verre kimberlitique.

Cette étude (spectres acquis aux seuils K du Mg et du Ca, Fig. 2), conduite avec les scientifiques de LUCIA, a permis de déterminer que l’environnement du Mg n’est pas affecté par la présence du CO2 alors que celui du Ca est fortement modifié en présence du CO2 (Fig 3A). Dans le détail, l’EXAFS du Ca montre que la coordinance du Ca augmente avec l’augmentation de la teneur en CO2 (Fig. 3B).

Figure 2 : Spectres d’Absorption X obtenus sur la ligne de lumière LUCIA au seuil K du Ca (~4030 eV) pour des verres de composition kimberlitique synthétisés sous conditions de haute pression (1.5 GPa) et avec différentes teneurs en CO2 allant de 7 à 17 poids.%. Le spectre acquis pour un verre CaSiO3 fait office de standard et ne contient pas de CO2.

Figure 3 : A) Variation dans la position d’énergie de la ligne principale (cf. Fig. 2) pour les spectres Ca et Mg en fonction de la teneur en CO2 des verres. Tandis que la position de la ligne pour le Mg reste relativement constante, celle du Ca est fortement affectée par la présence du CO2. B) Changement de coordination du Ca dans la structure vitreuse en fonction de la teneur en CO2. L’ajout du CO2 induit une augmentation de coordination du Ca.

Conclusion

La principale conclusion de cette étude est que le CO2 se dissout préférentiellement à proximité de l’environnement du Ca au sein de la structure atomique des verres kimberlitiques. L’affinité différentielle pour Ca et Mg du CO2 s’explique principalement pour des raisons géométriques ; l’espace libre autour d’un atome de Ca étant beaucoup plus important que celui autour du Mg (liaison avec le plus proche voisin >2.5 Å pour Ca et 2 Å pour Mg). Ce manque d’espace pour le Mg tient à la nature même de l’élément qui possède une charge cationique par volume beaucoup plus forte induisant des liaisons avec les plus proches voisins plus courtes qui n’autorisent pas l’accommodation de groupements CO32-.

D’une manière globale, ces résultats ont un impact sur la compréhension des mécanismes de transport du CO2 dans le cycle géochimique du carbone à l’échelle terrestre :

1) les magmas primitifs terrestres très enrichis en Mg (komatiites) auront été de très mauvais transporteurs de CO2 dans l’atmosphère primitive de la Terre ;

2) les magmas riches en Ca du rift Est-Africain véhiculent au contraire une grande quantité de CO2 ;

3) les magmas kimberlitiques qui subissent un enrichissement progressif en Mg lors de leur remontée voient leur capacité de transport du CO2 se réduire, générant ainsi une phase fluide responsable du caractère explosif des magmas kimberlitiques.