L'eau dans le manteau
Jean-François Moyen
Régulièrement, on discute de cycle de l'eau et de choses de ce genre. Je
viens de tomber sur un papier (dont je copie la référence et l'abstract en
bas, pour les anglophones), qui décrit les mécanismes d'incorporation de
l'eau dans les minéraux du manteau.
Le résultat, c'est que
(1) L'eau est stockée dans les minéraux du manteau (olivine) par des
mécanismes dits de "substitution", ou un des atomes de la formule
"théorique" est remplacée par autre chose, en respectant plus ou moins les
contraintes de charge et de taille. Ici, dans l'olivine SiMg2O4, on peut
substituer :
* Si4+ <-> Al3+ + H+
* Mg2+ <-> 2 H+
(2) Ce genre de mécanisme permet d'incorporer jusqu'à 0.2 - 0.6 % d'eau
(fonction de la pression) dans le manteau supérieur. Ce qui finit par
faire un réservoir gigantesque d'eau : le manteau supérieur représente
dans les 10^24 kg (1/6 de la masse de la Terre), on peut potentiellement y
stocker jusqu'à 5E21 kg d'eau -- à comparer aux 1E21 kg de l'océan (le
reste est négligeable), donc 5 fois plus que le total des eaux
superficielles. Evidemment, ca ne veut pas dire que le manteau soit saturé
en eau partout, ce chffre est un maximum.
JF
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Partitioning of water during melting of the Earth's upper mantle at
H2O-undersaturated conditions
Erik H. Hauri, Glenn A. Gaetani and Trevor H. Green
Earth and Planetary Science Letters
Volume 248, Issues 3-4 , 30 August 2006, Pages 715-734
http://minilien.com/?rXgqZCVK4f
We present the results of an experimental study of the partitioning of
water between common upper mantle minerals (olivine, orthopyroxene,
clinopyroxene, garnet) and silicate melt, consisting of 352 measurements
in 23 hydrous melting experiments conducted over a broad range of melt
water contents (1.7–25 wt.% H2O) at upper mantle conditions (1–4 GPa; 1000–
1380 °C). Our data show that, at water-undersaturated conditions,
incorporation of H2O into olivine and pyroxenes is accomplished through
two independent mechanisms: a coupled substitution in which H+ and
Al3+ replace Si4+ in the mineral structure, and the substitution of
2H+ for Mg2+ previously identified in minerals hydrated at water-saturated
conditions. At upper mantle temperatures and pressures < 2 GPa, these two
substitution mechanisms appear to contribute approximately equal amounts
of water to olivine; at higher pressures, the fugacity-dependent 2H+–
Mg2+ substitution dominates. For orthopyroxene, coupled substitution of
H+ and tetrahedral Al3+ dominates over the 2H+–Mg2+ substitution at
pressures < 8 GPa, while the Al-coupled substitution dominates in
clinopyroxene at all pressures.
Our data permit a new evaluation of the maximum storage capacity of water
in nominally anhydrous upper mantle peridotite and eclogite. The water
storage capacity of peridotite increases gradually with pressure to a
maximum of 0.6 wt.% H2O at 410 km depth; the storage capacity of eclogite
is 0.4 to 0.5 wt.% H2O from 2–5 GPa, dropping gradually to 0.2 wt.% just
above the transition zone as majorite is formed at the expense of
pyroxene. We show that the water abundances inferred for mid-ocean ridge
and hotspot magma sources are not consistent with the composition of
water-rich mantle residues emerging from a hydrous melt layer at the top
of the transition zone. Regional variations observed in the H2O–LREE
systematics of oceanic basalts can result from derivation of these magmas
from depleted mantle sources having polybaric melting histories, with
high-H2O/Ce sources being residues of shallow (garnet-absent) melting, and
low-H2O/Ce sources being the residues of deep melting in the stability
field of garnet lherzolite.
KG
> Salut,
...................
> (2) Ce genre de mécanisme permet d'incorporer jusqu'à 0.2 - 0.6 % d'eau
> (fonction de la pression) dans le manteau supérieur. Ce qui finit par
> faire un réservoir gigantesque d'eau : le manteau supérieur représente
> dans les 10^24 kg (1/6 de la masse de la Terre), on peut potentiellement
> y stocker jusqu'à 5E21 kg d'eau -- à comparer aux 1E21 kg de l'océan (le
> reste est négligeable), donc 5 fois plus que le total des eaux
> superficielles. Evidemment, ca ne veut pas dire que le manteau soit
> saturé en eau partout, ce chffre est un maximum.
Ce qui permet d'augurer pour l'avenir des prospecteur d'eau comme on
fait pour le pétrole aujourd'hui ;-)
La vitesse d'assimilation de l'eau par ces minéraux, c'est de quel ordre ?
Jean-François Moyen
> La vitesse d'assimilation de l'eau par ces minéraux, c'est de quel ordre
> ?
Bonne question, ça... Comme pas mal de choses en géologie, on maîtrise
très mal la cinétique. Dans le papier en question, ils rapportent des
manips qu'ils ont faites au labo --donc dans le temps qu'une manip peut
durer, une à deux semaines. La cinétique ne semble donc pas le facteur
limitant (c'est la réponse standard du géologue qui en fait n'en sait
rien... :-/ )
JF
KG
Je demandais ça juste pour mettre en rapport ce stockage d'une part, et
le destockage d'autre part, dans la perspective de l'exploitation d'une
ressource dont on dit qu'elle est déjà, et sera de plus en plus,
déterminante de la stabilité politique de la Planète.
On connaît le problème par la désertification.
Pouvoir extraire de manière économiquement viable, par un procédé (???
sûrement coûteux en énergie) dans des régions abandonnées du ciel, ce
serait un progrès pour le développement durable.
En fait notre bonne vielle Terre est une véritable éponge, par tous ses
pores. La Planète bleue dehors, mais aussi dedans.
Jean-François Moyen
> Je demandais ça juste pour mettre en rapport ce stockage d'une part, et
> le destockage d'autre part, dans la perspective de l'exploitation d'une
> ressource dont on dit qu'elle est déjà, et sera de plus en plus,
> déterminante de la stabilité politique de la Planète.
Ah ! Non, exploiter ce genre de flotte semble difficile. D'abord, elle est
dans le manteau (plus de 30 km de profondeur); ensuite, elle est sous
forme d'ions dans des minéraux, il faudrait donc casser les réeaux
cristallins pour la récupérer (c'est très cher en énergie !). Enfin, les
teneurs sont très faibles, et donc pas économiques -- sauf, bien sûr, si
l'eau devient extraordinairement rare. Mais moins de 0.5 %, c'est très peu
: on n'exploite pas grand chose à ces teneurs. Même des choses chères
(type Ni, Cr ...) sont exploitées à des teneurs supérieures. Il faudrait
donc que l'eau devienne plus chère ou plus rare que le Ni pour que ça
vaille le coup !
JF
KG
> l'eau devient extraordinairement rare. Mais moins de 0.5 %, c'est très
> peu : on n'exploite pas grand chose à ces teneurs. Même des choses
> chères (type Ni, Cr ...) sont exploitées à des teneurs supérieures. Il
> faudrait donc que l'eau devienne plus chère ou plus rare que le Ni pour
> que ça vaille le coup !
>
> JF
Tu as raison, c'est idiot comme idée.
Bon ben je vais continuer à boire du vin ;-)
Mais sur le long terme (reste à déterminer les ordres de grandeurs des
échelles de temps du processus d'incorporation) on est donc confronté à
une perte sèche, si j'ose dire, de l'hydrosphère vers le manteau, lequel
manteau doit évidemment restituer une part de cette eau, malgré le coût
en énergie (mais il s'en moque, il ne paie pas ;-) par le volcanisme, du
moins je le suppose ni connaissant pas grand chose. Enfin perte sèche si
le bilan n'est pas nul, bien sûr, ou alors négatif pour l'hydrosphère.
Ainsi, dans l'hypothèse d'un bilan négatif, on assisterait à une forme
de dessiccation et un "flétrissement" un peu comparable à ce qu'il
advient de la peau des humains. Je sais, ce n'est pas scientifique,
c'est juste pour trouver un intérêt à ce genre de découverte, pour moi
qui ne suis pas géologue.... ;-)
Jean-François Moyen
> Mais sur le long terme (reste à déterminer les ordres de grandeurs des
> échelles de temps du processus d'incorporation) on est donc confronté à
> une perte sèche, si j'ose dire, de l'hydrosphère vers le manteau, lequel
> manteau doit évidemment restituer une part de cette eau, malgré le coût
> en énergie (mais il s'en moque, il ne paie pas par le volcanisme, du
> moins je le suppose ni connaissant pas grand chose. Enfin perte sèche si
> le bilan n'est pas nul, bien sûr, ou alors négatif pour l'hydrosphère.
On en revient à ce que je racontais l'autre jour : sur l'ensemble de
l'histoire de la Terre, on dirait bien que le volume d'eau dans
l'atmosphère+hydroshpère n'a pas trop varié, ce qui implique un équilibre
sur le long terme entre manteau et extérieur; les flux dans un sens sont
les subductions, dans l'autre les volcans.
Mais il s'agit là (comme toujours dans ces histoires) de flux extrêmement
lents, très durs à apprécier parce que vraiment minimes. Il est vraiment
difficile de mesurer ces flux à l'échelle humaine ou même géologique
"récente".
JF
Fabrice Neyret
> Ah ! Non, exploiter ce genre de flotte semble difficile. D'abord, elle
> est dans le manteau (plus de 30 km de profondeur); ensuite, elle est
> sous forme d'ions dans des minéraux, il faudrait donc casser les réeaux
> cristallins pour la récupérer (c'est très cher en énergie !). Enfin, les
> teneurs sont très faibles, et donc pas économiques
d'autant que les forages les plus profond n'ont pas encore atteint cette
profondeur, loin s'en faut, que le ramollissement du matos avec la
chaleur fait qu'il est difficile de maintenir la ligne droite, malgres
j'imagine un intense refroidissement par eau :-)
A ce compte ca doit etre beaucoup plus simple d'aller fouiller la
ceinture d'asteroides a la peche aux glacons. Ou de chasser la comete.
--
Fabrice
Rémi Moyen
> Mais moins de 0.5 %, c'est très
> peu : on n'exploite pas grand chose à ces teneurs. Même des choses
> chères (type Ni, Cr ...) sont exploitées à des teneurs supérieures.
Si ma mémoire de lointains cours n'est pas trop mauvaise, quelques
(rares) contre-exemples, c'est l'uranium et l'or où on exploite à partir
de quelques dizaines de ppm -- même si il existe des gisements bien plus
riches, aussi.
--
Rémi Moyen
Jean-François Moyen
<r.moye...@ukonline.co.uk.invalid> wrote:
> Si ma mémoire de lointains cours n'est pas trop mauvaise, quelques
> (rares) contre-exemples, c'est l'uranium et l'or où on exploite à partir
> de quelques dizaines de ppm -- même si il existe des gisements bien plus
> riches, aussi.
Ta mémoire ne te trompe pas; mais tu parles la de substances encore plus
chères. En gros, il y a une corrélation directe entre la teneur
économique, et le cours du marché. Ce qui logique, vu que le coût
d'exploitation dépend fortement de la teneur.
JF
KG
> d'autant que les forages les plus profond n'ont pas encore atteint cette
> profondeur, loin s'en faut, que le ramollissement du matos avec la
> chaleur fait qu'il est difficile de maintenir la ligne droite, malgres
> j'imagine un intense refroidissement par eau :-)
>
> A ce compte ca doit etre beaucoup plus simple d'aller fouiller la
> ceinture d'asteroides a la peche aux glacons. Ou de chasser la comete.
Bon OK, on a compris, j'ai dit que c'était idiot comme idée :-)
Mais à part le manteau, en "surface", des minéraux "gavés" d'eau, ça
existe ?
J'entends selon le mode d'incorporation signalé par JF
Jean-François Moyen
>
> Mais à part le manteau, en "surface", des minéraux "gavés" d'eau, ça
> existe ?
Oui, bien sûr, la plupart des minéraux contiennent de l'eau :
- Par substitution, comme je le décrivais hier (Si4+ <-> H+ + Al3+ par
exemple)
- Dans leur formule "vraie", par exemple les micas contiennent deux
groupes OH- par formule structurale.
Dans le premier cas, on parle de, disons, moins de 0.1 % d'eau; dans le
second, on peut aller jusqu'à 2-5 % (disons, 2 % dans un mica, par
exemple).
Si on veut récupérer cette eau ... Bon, c'est quand même pas simple : le
mica se déstabilise à 800-900 °C, par exemple, donc pour récupérer cette
eau il faut chauffer pas mal. Une fois de plus, tout se ramène à une
question de coût (énergétique et économique) : l'eau deviendra-t-elle
assez chère pour "payer" le chauffage à 850 °C ? Ca ne me semble pas
évident. Si on parle en ordre de grandeur, il faut des conditions pas très
différentes de celles qui permettent de récupérer des métaux (nickel,
platinoïdes, or...). Il serait donc rentable de récupérer l'eau de cette
façon si son prix devient comparable à celui de ces métaux ... j'en doute
un peu quand même (et si c'est le cas, on est mal barré !). Sans compter
que, comme le disait je ne sais plus qui (Fabrice ?), dans ces conditions
il est probablement moins cher (énergétiquement et économiqument) de
récupérer des astéroïdes.
JF