Une paire de diamants qui formaient des centaines de kilomètres de profondeur dans le manteau malléable de la Terre contiennent tous deux des taches de matériaux qui se forment dans des environnements chimiques complètement opposés – une combinaison si inhabituelle que les chercheurs pensaient que leur coexistence était « presque impossible ». La présence des substances fournit une fenêtre sur les activités chimiques du manteau et les réactions qui forment des diamants.
Les deux échantillons de diamants ont été trouvés dans une mine sud-africaine. Comme pour beaucoup d’autres pierres précieuses, ils contiennent ce qu’on appelle les inclusions – de minuscules morceaux de roches environnantes capturées comme les diamants se forment. Ces inclusions sont détestées par la plupart des bijoutiers mais sont une source d’information passionnante pour les scientifiques. C’est particulièrement vrai quand Les diamants se forment profondément dans le manteau inaccessibleparce qu’ils portent ces inclusions essentiellement non perturbées à la surface – la seule façon dont ces minéraux peuvent augmenter des centaines de kilomètres sans être modifiés de leur état d’origine de mantle profond.
Les deux nouveaux échantillons de diamant contiennent chacun des inclusions de minéraux de carbonate qui sont riches en oxygène Les atomes (un état connu sous le nom d’alliages de nickel oxydés) et pauvres en oxygène (un état connu sous le nom de réduction, dans le langage de la chimie). Tout comme la façon dont un acide et une base réagissent immédiatement pour former de l’eau et un sel, des minéraux carbonatés oxydés et des métaux réduits ne coexistent pas longtemps. En règle générale, les inclusions de diamants ne montrent que l’un ou l’autre, donc la présence de Yaakov Weiss perplexe, maître de conférences en sciences de la Terre à l’Université hébraïque de Jérusalem, et ses collègues – à tel point qu’ils ont initialement mis les échantillons de côté pendant un an dans la confusion, dit-il.
Mais lorsqu’ils ont réanalysé les diamants, les chercheurs ont réalisé que les inclusions capturent un instantané de la réaction qui a fait les pierres étincelantes et confirmer pour la première fois que les diamants peuvent se former lorsque les minéraux de carbonate et les métaux réduits dans le manteau réagissent. Les nouveaux échantillons sont la première fois que les scientifiques ont vu le point médian de cette réaction capturée dans un diamant naturel.
« Il s’agit essentiellement des deux côtés du spectre (oxydation) », explique Weiss, l’auteur principal de la nouvelle étude décrivant la découverte, qui a été publiée lundi dans Géoscience de la nature.
La découverte a des implications sur ce qui réside dans le mystérieux milieu du manteau. Lorsque vous voyagez plus profondément dans la terre, loin de la surface, les rochers et les minéraux deviennent de plus en plus réduits, avec des molécules d’oxygène de moins en moins disponibles, mais il y a peu de preuves directes de ce changement du manteau.
Les calculs théoriques ont donné aux chercheurs une notion de la façon dont la planète passe de l’oxydé à réduit avec la profondeur. « Nous savions cette réduction avec certaines données empiriques, avec de vrais échantillons à peut-être 200 kilomètres », explique Maya Kopylova, professeur de sciences de la Terre, de l’océan et de l’atmosphère à l’Université de la Colombie-Britannique, qui n’a pas été impliquée dans la nouvelle étude mais qui a écrit un éditorial accompagnant le document. « Ce qui s’est passé en dessous de 200 km (était) juste notre idée, nos modèles, car il est si difficile d’obtenir le matériel. » Il n’y a que quelques échantillons en dessous de cette profondeur, a-t-elle déclaré.
Ces nouveaux échantillons, qui proviennent de 280 et 470 km sous la surface de la Terre, fournissent le premier vérification des faits du monde réel sur cette chimie théorique du manteau. Une découverte, dit Weiss, est que le matériel fondu oxydé existe plus profondément que prévu. Kimberlites, les roches éclatées qui amènent les diamants à la surfacesont oxydés, donc les chercheurs avaient pensé qu’ils ne pouvaient pas provenir beaucoup de moins de 300 km de profondeur. Mais ces résultats suggèrent que les roches oxydées se produisent plus profondément que cela – et donc les roches de kimberlite pourraient aussi.
Les réactions de formation de diamants se produisent probablement lorsque les liquides de carbonate sont traînés par des plaques tectoniques subductrices, qui apportent des minéraux lourds en oxygène en contact avec les alliages métalliques du manteau, dit Weiss. (Une autre façon dont les chimistes pensent que les diamants peuvent se former est de précipiter des fluides riches en carbone qui se refroidissent lorsqu’ils montent vers le haut dans le manteau, comme le sucre cristallant du sirop. Le nouveau papier n’exclut pas que le processus se produit aussi bien.)
Les inclusions riches en nickel pourraient également aider à expliquer un événement étrange dans certains diamants: des atomes occasionnels de nickel semblent remplacer le carbone du réseau cristallin de ces diamants. Cela a été un mystère, dit Kopylova, parce que le nickel est tellement plus lourd que le carbone qu’il ne devrait pas être en mesure de s’échapper facilement dans la structure cristalline. « Maintenant, en regardant ces données, je vois que cela pourrait être juste un signe de formation de diamants à certaines profondeurs », dit-elle. « Ce serait très intéressant d’enquêter davantage. »
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