Projet ANR-13-BS06-0008 – OxyDeep : Etat redox de la Terre profonde au cours de son evolution
Programme : Blanc - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (Blanc SIMI 6)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Denis ANDRAULT (Laboratoire Magmas et Volcans)
Partenaires : Laboratoire Magmas et Volcans
Montant : 339924.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Etat redox de la Terre profonde au cours de son évolutionNous cherchons à reproduire et à caractériser les transformations de phases telles qu'elles se sont produites dans la Terre primitive, et telles qu'elles se produisent encore à l'heure actuelle dans la Terre profonde. Les transformations majeures sont l'évolution de l'état d'oxydoréduction, les réactions chimiques et la fusion partielle.
Enjeux et ObjectifsL'oxygène est l'élément clé qui régule la dynamique de la Terre, car il permet à d’abondants éléments tels que (Fe, Si, S, H) de changer de valence et donc contrôle leur répartition entre les grands réservoirs (noyau, manteau, croûte, hydrosphère). Le rôle du fer, en particulier, est important car celui-ci peut changer son état d'oxydation de Fe0 en Fe2+ et Fe3+. Une stratification verticale de la concentration en oxygène est héritée de la ségrégation noyau-manteau, de la différenciation après cristallisation de l'océan de magma primitif, de la formation de la croûte, etc. En relation avec leurs propres contenus minéralogiques, chaque réservoir possède un état redox et une fugacité d’oxygène caractéristiques. La Terre étant une planète tectoniquement active, son matériel est recyclé au cours des temps géologiques: les matériaux oxydés de la surface s'enfouissent dans le manteau au niveau des zones de subduction, éventuellement jusqu'à la frontière noyau-manteau, et du matériel profond refait surface à la faveur de la convection. Ce mélange favorise les réactions d'oxydo-réduction entre les réservoirs qui, cependant, ne sont pas bien établies et dont les conséquences demeurent largement inconnues. Une meilleure compréhension de l'état redox de la Terre profonde est pourtant essentielle pour notre compréhension de l'histoire de notre planète.
Méthodes experimentalesLe projet nécessite la mise en œuvre de techniques expérimentales et analytiques avancées et, en particulier, de générer des P et T élevées. Nous utiliserons le chauffage résistif dans la presse gros volume (LVP) et le chauffage laser dans la cellule à enclumes de diamant (LH-DAC) pour des conditions allant respectivement jusqu’à (25 GPa-2500 K) et (135 GPa-5000 K). Ces conditions P-T reproduisent celles typiques des interactions noyau-manteau dans la Terre précoce ainsi qu’à l'heure actuelle à la CMB. Les pressions les plus extrêmes permettrons d'étudier la couche D’’ dans le manteau très profond. Les propriétés des échantillons seront caractérisées par une série de techniques synchrotrons, notamment: (i) la diffraction des rayons X (XRD) dans la LVP et la LH-DAC; (ii) la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAFS); (iii) ainsi que la fluorescence des rayons X (XRF).
Résumé de la soumission : L'oxygène est l'élément clé qui régule la dynamique de la Terre, car il permet à d’abondants éléments tels que (Fe, Si, S, H) de changer de valence et donc contrôle leur répartition entre les grands réservoirs (noyau, manteau, croûte, hydrosphère). Le rôle du fer, en particulier, est important car celui-ci peut changer son état d'oxydation de Fe0 en Fe2+ et Fe3+. Une stratification verticale de la concentration en oxygène est héritée de la ségrégation noyau-manteau, de la différenciation après cristallisation de l'océan de magma primitif, de la formation de la croûte, etc. En relation avec leurs propres contenus minéralogiques, chaque réservoir possède un état redox et une fugacité d’oxygène caractéristiques. La Terre étant une planète tectoniquement active, son matériel est recyclé au cours des temps géologiques: les matériaux oxydés de la surface s'enfouissent dans le manteau au niveau des zones de subduction, éventuellement jusqu'à la frontière noyau-manteau, et du matériel profond refait surface à la faveur de la convection. Ce mélange favorise les réactions d'oxydo-réduction entre les réservoirs qui, cependant, ne sont pas bien établies et dont les conséquences demeurent largement inconnues. Une meilleure compréhension de l'état redox de la Terre profonde est pourtant essentielle pour notre compréhension de l'histoire de notre planète.Le projet OxyDeep est prévu sur 36 mois. Nous cherchons à reproduire et à caractériser les transformations de phases telles qu'elles se sont produites dans la Terre primitive, et telles qu'elles se produisent encore à l'heure actuelle dans la Terre profonde. Les transformations majeures sont l'évolution de l'état d'oxydoréduction, les réactions chimiques et la fusion partielle. Le projet nécessite la mise en œuvre de techniques expérimentales et analytiques avancées et, en particulier, de générer des P et T élevées. Nous utiliserons le chauffage résistif dans la presse gros volume (LVP) et le chauffage laser dans la cellule à enclumes de diamant (LH-DAC) pour des conditions allant respectivement jusqu’à (25 GPa-2500 K) et (135 GPa-5000 K). Ces conditions P-T reproduisent celles typiques des interactions noyau-manteau dans la Terre précoce ainsi qu’à l'heure actuelle à la CMB. Les pressions les plus extrêmes permettrons d'étudier la couche D’’ dans le manteau très profond. Les propriétés des échantillons seront caractérisées par une série de techniques synchrotrons, notamment: (i) la diffraction des rayons X (XRD) dans la LVP et la LH-DAC; (ii) la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAFS); (iii) ainsi que la fluorescence des rayons X (XRF).L'équipe est composée de membres du LMV, plus des chercheurs externes avec lesquels le LMV a établi des collaborations scientifiques depuis plusieurs années. Nous partageons des compétences complémentaires et des intérêts scientifiques communs. Afin de réaliser ce projet, nous demandons ½ de thèse (co-financé par la Région Auvergne) et 1 post-doc. Les travaux de doctorat sera consacrée aux «propriétés redox dans la Terre primitive". Il apportera des résultats nouveaux sur les premières interactions noyau-manteau, ainsi que sur la cristallisation océan magmatique. Le sujet de post-doc sera consacrée aux «propriétés redox des silicates dans le manteau profond". Il portera sur l'état d'oxydoréduction dans la couche D" et sur l'échange de matériel se produisant à l'interface noyau-manteau.
Résultats : Concernant la Tâche 1: interactions noyau-manteau dans la Terre primitive et à la frontière noyau-manteau, deux études expérimentales ont déjà été réalisée: (i) Le partage du soufre entre silicate liquide et métaux riches en fer a été étudiée pour des températures entre de 1800 ° C à 2400 ° C, des pressions de 2 à 23 GPa et une fugacité d'oxygène de 3,5 à 1,5 unités de log au-dessous du tampon de fer-wüstite. (Ii) Les coefficients de partage de Sm et Nd entre un manteau liquide de composition chondritique et divers alliages de Fe. (iii) Dans une troisième étude, nous étudions maintenant le rôle des éléments volatils, en particulier l'eau, sur le partage noyau-manteau de divers traceurs géochimiques.
Concernant Tâche 2: Rôle de la cristallisation de l’océan magmatique sur les hétérogénéités héritées dans le manteau, nous avons réalisé deux études complémentaires: (i) l'évaluation de la quantité de fer ferrique qui peut être incorporée dans la bridgmanite au cours de la cristallisation. (ii) Par ailleurs, nous avons mesuré le solidus d'échantillons de composition de chondrite carboné, à des conditions de pression et de température appropriées pour des profondeurs du manteau jusqu'à 1000 km. (iii) Dans une troisième étude, nous avons initié une modélisation géodynamique du refroidissement et la cristallisation de l'océan de magma.
Concernant Tâche 3: Rôle de la D «couche-dans la dynamique du manteau terrestre, nous avons effectué une étude originale pour déterminer les réactions chimiques qui ont lieu aujourd'hui à la frontière noyau-manteau. Nous avons couplé -cellule à enclumes de diamant, -chauffage laser chauffée et µ-XANES sur  la ligne de lumière ID24 de l'ESRF pour déterminer le comportement Fe dans les minéraux du manteau très profond.
Perspectives : Nous poursuivons les programmes exposés dans la partie résultat pour confirmer nos résultats originaux et pour permettre l’écriture de publications.
Publications et brevets : 1.	Boujibar et al. (2014) Metal-silicate partitioning of sulphur and thermodynamical constraints on planetary accretion, Earth and Planetary Science Letters, 391, 42-54
2.	Bouhifd et al. (2015) Superchondritic Sm/Nd ratio of the Earth: Impact of Earth’s core formation, Earth and Planetary Science Letters, 413, 158-166