Le manteau de la Terre est un moteur énigmatique agité qui alimente le volcanisme, recycle la croûte et régule l'évolution à long terme de la planète. Mais l'une de ses caractéristiques les plus insaisissables – l'état redox, ou l'équilibre des espèces chimiques oxydées et réduites – est difficile à mesurer directement.
Une nouvelle étude dirigée par Yael Kempe et Yaakov Weiss, de l'Institut des sciences de la Terre de l'Université hébraïque, offre un aperçu rare de ces processus profonds, capturés dans les nano- et micro-inclusions dans les diamants de la mine Voorspoed d'Afrique du Sud. L'étude est publiée dans la revue Géoscience de la nature.
Pendant des décennies, des modèles et des expériences à haute pression ont suggéré que les alliages métalliques riches en nickel devraient se stabiliser dans le manteau à des profondeurs d'environ 250 à 300 km. Pourtant, des échantillons naturels confirmant ces prédictions ont été rares.
En travaillant avec des collègues de l'Université du Nevada, de l'Université de Cambridge, et du nanocentre de l'Université hébraïque, l'équipe de Weiss a maintenant identifié des nanoinclusions métalliques en nickel-fer et des micro-inclusions riches en nickel dans les diamlusions à l'intérieur des diamants qui se sont formés entre 280 et 470 km en dessous de la surface de la Terre. Ces inclusions représentent la première preuve directe d'alliages riches en nickel à leur profondeur prévue – une validation depuis longtemps des modèles redox du manteau.
La cargaison minérale des diamants comprend également des phases de coessite, des alumineuses riches en K et des inclusions moléculaires de l'azote solide, fournissant des marqueurs de pression multiples qui limitent fermement leur origine au manteau supérieur profond et à la zone de transition peu profonde.
Instantanés redox gelés en carbone
La signification de la découverte va au-delà de la simple confirmation des modèles théoriques. La coexistence de l'alliage de nickel-fer et du carbonate riche en nickel pointe vers une réaction de congestion redox métasomatique – une interaction dynamique dans laquelle une fonte carbonatitique-silique oxydée infiltrée de la péridotite réduite par métal. Il rejoint des preuves antérieures de profondeurs moins profondes qu'il s'agit du principal mode de formation des diamants naturels.
Dans cet environnement, l'oxydation préférentielle du fer par rapport au nickel a entraîné un enrichissement de l'alliage résiduel dans le nickel. Dans le même temps, les carbonates et les diamants riches en nickel se sont cristallisés à partir de la fusion. En effet, les diamants ont gelé un moment géochimique éphémère: la conversion d'une roche de manteau réduite en un domaine plus oxydé et riche en volatile et la réduction des carbonates pour former des diamants.
« Il s'agit d'un instantané rare de la chimie du manteau en action », explique Weiss. « Les diamants agissent comme de minuscules capsules temporelles, préservant une réaction qui disparaîtrait autrement alors que les minéraux se rééquilibrent avec leur environnement. »
Implications pour la dynamique du manteau et le magmatisme
Ces résultats ont de grandes implications. Si les réactions métasomatiques localisées oxydent périodiquement de petites parties du manteau, elles peuvent aider à expliquer pourquoi certaines inclusions dans d'autres diamants Superdeep enregistrent des conditions oxydées de manière inattendue.
Ces processus ont également mis en lumière les origines des magmas riches en volatiles. L'enrichissement de la péridotite du manteau dans le carbonate, le potassium et les éléments incompatibles lors de ces événements redox pourrait amorcer le manteau pour la formation ultérieure des kimberlites, des lamprophyres et même des basaltes de l'île océanique.
En d'autres termes, les minuscules inclusions dans les diamants voorspoed suggèrent des liaisons à grande échelle entre la subduction, la dynamique redox du manteau et la génération de magmas qui façonnent les continents et relâchent les diamants à la surface.
Diamants comme témoins de manteau
L'étude souligne la valeur scientifique des diamants comme plus que des pierres précieuses. Leurs inclusions – que ce soit des alliages à l'échelle nanométrique ou des minéraux à haute pression – offrent l'un des seuls enregistrements naturels de conditions des centaines de kilomètres sous nos pieds.
Le travail de Kempe et Weiss marque une étape importante: la première confirmation naturelle des alliages riches en nickel aux profondeurs du manteau prédites par la théorie, et une illustration vive de la façon dont le paysage redox de la Terre évolue par l'interaction à fonds-rock.
Alors que les chercheurs continuent de sonder ces capsules temporelles minérales, nous pouvons constater que les diamants, autrefois symboles de permanence, sont également des conteurs de changement – témoin de la chimie cachée du manteau et des processus qui continuent de façonner notre planète dynamique.
