Cycle du carbone profond

Le carbone était certainement présent en abondance dans les matériaux qui ont formé la Terre, en concentration variable selon la proportion de ces matériaux (chondrites à enstatite, chondrites ordinaires, chondrites carbonées). Lors de la formation du noyau, l'essentiel du carbone a dû accompagner le fer en raison du comportement fortement sidérophile du carbone aux températures et pressions correspondantes.

L'abondance du carbone dans le manteau d'aujourd'hui, quoique très faible (environ 120 ppm), est bien supérieure à ce que prédisent les modèles thermodynamiques (1 à 5 ppm). En 2013, il est proposé que l'eau présente sous la forme de défauts ponctuels dans les silicates du manteau, libérée à la limite noyau-manteau pendant la subduction, réagisse chimiquement avec le liquide métallique du noyau externe en libérant du carbone^[8],[9]. En 2022, cette hypothèse est confortée par des expériences menées à 70–140 GPa et jusqu'à 4 050 K. Elles confirment que la présence d'hydrogène diminue la solubilité du carbone dans le fer liquide, et que l'eau réagit avec le liquide métallique en libérant du carbone dans le manteau. Elles montrent aussi, ce qui n'avait pas été prévu, que le carbone forme alors du diamant et non pas du carbone oxydé. La quantité de carbone libérée en trois milliards d'années est compatible avec l'abondance actuelle du carbone dans le manteau^[8],[10].

Le carbone entre principalement dans le manteau sous la forme de sédiments riches en carbonates sur les plaques tectoniques de la croûte océanique, qui attirent le carbone dans le manteau lors de la subduction. On ne sait pas grand-chose sur la circulation du carbone dans le manteau, en particulier dans les profondeurs de la Terre, mais de nombreuses études ont tenté d'améliorer notre compréhension de son mouvement et de ses formes dans le manteau inférieur. Par exemple, une étude de 2011 a démontré que le cycle du carbone s'étend jusqu'au manteau inférieur. L'étude a analysé des diamants rares profondément enfouis sur un site de Juina, au Brésil, déterminant que la composition en vrac de certaines des inclusions de diamants correspondait au résultat attendu à la suite de la fusion et de la cristallisation du basalte sous des températures et des pressions du manteau plus basses. Ainsi, les résultats de l'enquête indiquent que des morceaux de lithosphère océanique basaltiques agissent comme le principal mécanisme de transport du carbone le manteau inférieur de la Terre. Ces carbonates subduits peuvent interagir avec les silicates et les métaux du manteau inférieur, formant éventuellement des diamants super-profonds comme celui trouvé^[11].

Carbone dans les différents réservoirs du manteau, de la croûte et de la surface terrestre^[7].

Réservoir	gigatonne C
A la surface	${\displaystyle (43-45)\times 10^{3}}$
Croûte continentale et lithosphère	${\displaystyle (0.9-3.1)\times 10^{8}}$
Croûte océanique et lithosphère	${\displaystyle 1.4\times 10^{8}}$
Manteau supérieur	${\displaystyle <3.2\times 10^{7}}$
Manteau inférieur	${\displaystyle <1.0\times 10^{9}}$

Les carbonates descendant vers le bas du manteau forment d'autres composés en plus des diamants. En 2011, les carbonates ont été soumis à un environnement similaire à celui qui existe à 1 800 km de profondeur dans la Terre, au sein du manteau inférieur. Cela a abouti à des formations de magnésite, de sidérite et de nombreuses variétés de graphites^[12]. D'autres expériences, ainsi que des observations pétrologiques, confirment cette hypothèse, constatant que la magnésite est en fait la phase carbonatée la plus stable dans la majorité du manteau. Ceci est largement dû à sa température de fusion plus élevée^[13]. Par conséquent, les scientifiques ont conclu que les carbonates subissent une réduction lorsqu'ils descendent dans le manteau avant d'être stabilisés en profondeur par des environnements à faible fugacité en oxygène. Le magnésium, le fer et d'autres composés métalliques agissent comme des tampons tout au long du processus^[14]. La présence de formes élémentaires réduites de carbone comme le graphite indiquerait que les composés de carbone sont réduits lorsqu'ils descendent dans le manteau.

Néanmoins, le polymorphisme altère la stabilité des composés carbonatés à différentes profondeurs de la Terre. À titre d'illustration, des simulations de laboratoire et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité suggèrent que les carbonates à coordination tétraédrique sont plus stables à des profondeurs proches de la limite noyau-manteau^[15],[12]. Une étude de 2015 indique que les hautes pressions du manteau inférieur provoquent la transition des liaisons carbone des orbitales hybrides sp₂ vers sp₃, ce qui entraîne une liaison tétraédrique de carbone à l'oxygène^[16]. Les groupes trigonaux CO₃ ne peuvent pas former de réseaux polymérisables, tandis que le CO₄ tétraédrique en a la possibilité, ce qui signifie une augmentation du nombre de coordination du carbone, et donc des changements drastiques des propriétés des composés carbonates dans le manteau inférieur. À titre d'exemple, des études théoriques préliminaires suggèrent que des pressions élevées entraînent une augmentation de la viscosité du carbonate fondu; la moindre mobilité de la fonte est la conséquence des changements de propriétés décrits et également la preuve de grands dépôts de carbone dans les couches profondes du manteau^[17].

En conséquence, le carbone peut rester dans le manteau inférieur pendant de longues périodes de temps, mais de grandes concentrations de carbone retrouvent fréquemment leur chemin vers la lithosphère. Ce processus, appelé dégazage de carbone, est le résultat de la fonte carbonatée du manteau par décompression, ainsi que des panaches du manteau transportant les composés carbonés vers la croûte^[18] Le carbone est oxydé lors de son ascension vers les points chauds volcaniques, où il est ensuite libéré sous forme de CO2. Cela se produit pour que l'atome de carbone corresponde à l'état d'oxydation des basaltes en éruption dans ces zones^[19].

Bien que la présence de carbone dans le noyau de la Terre soit bien limitée, des études récentes suggèrent que de grandes quantités de carbone pourraient être stockés dans ce dernier. Les ondes de cisaillement (S) se déplaçant à travers le noyau interne se déplacent à environ cinquante pour cent de la vitesse attendue pour la plupart des alliages riches en fer^[20]. Étant donné que la composition du noyau est largement considérée comme un alliage de fer cristallin avec une petite quantité de nickel, cette anomalie sismographique indique l'existence d'une autre substance dans la région. Une théorie postule qu'un tel phénomène est le résultat de divers éléments légers, y compris du carbone, dans le noyau. En fait, des études ont utilisé des cellules à enclumes en diamant pour reproduire les conditions du noyau terrestre, dont les résultats indiquent que le carbure de fer Fe₇C₃ correspond aux vitesses de son et de densité du noyau interne compte tenu de son profil de température et de pression. Par conséquent, le modèle de carbure de fer pourrait servir de preuve que le noyau contient jusqu'à 67 % du carbone de la Terre^[21]. En outre, une autre étude a révélé que le carbone se dissolvait dans le fer et formait une phase stable avec la même composition en Fe₇C₃, bien qu'avec une structure différente de celle mentionnée précédemment^[22]. Par conséquent, bien que la quantité de carbone potentiellement stockée dans le noyau terrestre ne soit pas connue, des recherches récentes indiquent que la présence de carbures de fer pourrait être cohérente avec les observations géophysiques.