Composition of the Earth's inner core from high-pressure sound velocity measurements in Fe-Ni-Si alloys

Editor: R.D. van der Hilst Keywords: Fe-Ni-Si alloy aggregate compressional and shear sound velocities high pressure inner core light elements We performed room-temperature sound velocity and density measurements on a polycrystalline alloy, Fe 0.89 Ni 0.04 Si 0.07 , in the hexagonal close-packed (hcp) phase up to 108 GPa. Over the investigated pressure range the aggregate compressional sound velocity is ∼ 9% higher than in pure iron at the same density. The measured aggregate compressional (V P ) and shear (V S ) sound velocities, extrapolated to core densities and corrected for anharmonic temperature effects, are compared with seismic profiles. Our results provide constraints on the silicon abundance in the core, suggesting a model that simultaneously matches the primary seismic observables, density, P-wave and S-wave velocities, for an inner core containing 4 to 5 wt.% of Ni and 1 to 2 wt.% of Si

Toward a mineral physics reference model for the Moon's core

International audienceIron is the main constituent of terrestrial planetary cores, taking on a hexagonal closed packed structure under the conditions of Earth’s inner core, and a face-centered cubic (fcc) structure at the more moderate pressures of smaller bodies, such as the Moon, Mercury, or Mars. Here we present sound velocity and density measurements of fcc iron at pressures and temperatures characteristic of small planetary interiors. The results indicate that the seismic velocities currently proposed for the Moon’s inner core are well below those of fcc iron or plausible iron alloys. Our dataset provides strong constraints to seismic models of the lunar core and cores of small telluric planets, and allows us to build a direct compositional and velocity model of the Moon’s core

Experimental investigation of the stability of Fe-rich carbonates in the lower mantle

International audienceThe fate of carbonates in the Earth's mantle plays a key role in the geodynamical carbon cycle. Although iron is a major component of the Earth's lower mantle, the stability of Fe-bearing carbonates has rarely been studied. Here we present experimental results on the stability of Fe-rich carbonates at pressures ranging from 40 to 105 GPa and temperatures of 1450-3600 K, corresponding to depths within the Earth's lower mantle of about 1000-2400 km. Samples of iron oxides and iron-magnesium oxides were loaded into CO2 gas and laser heated in a diamond-anvil cell. The nature of crystalline run products was determined in situ by X-ray diffraction, and the recovered samples were studied by analytical transmission electron microscopy and scanning transmission X-ray microscopy. We show that Fe-(II) is systematically involved in redox reactions with CO2 yielding to Fe-(III)-bearing phases and diamonds. We also report a new Fe-(III)-bearing high-pressure phase resulting from the transformation of FeCO3 at pressures exceeding 40 GPa. The presence of both diamonds and an oxidized C-bearing phase suggests that oxidized and reduced forms of carbon might coexist in the deep mantle. Finally, the observed reactions potentially provide a new mechanism for diamond formation at great depth

Proprietes thermodynamiques de mineraux du manteau superieur. Calorimetrie a haute temperature et spectroscopie a haute pression et haute temperature

INIST T 74650 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueSIGLEFRFranc

Propriétés thermodynamiques de minéraux du manteau supérieur. Calorimétrie à Haute Température et Spectroscopie Raman à Haute Pression et Haute Température

La modélisation de la nature (minéralogie, composition) et de la dynamique du manteau terrestre nécessite la connaissance des propriétés de ses minéraux constitutifs à haute pression (HP, 1-135 GPa) et haute température (HT, 1000-3000K). En particulier, les grandeurs thermodynamiques (enthalpies de formation, entropies, volume, ... ) contrôlent la stabilité des minéraux dans l'espace pression-température. Dans une première approche dite "macroscopique", les capacités calorifiques de la forstérite et de ses analogues, du pyrope et du spinelle sont mesurées par calorimétrie à HT. Les données de dilatation thermique et de compressibilité sont tirées de mesures de volume à HP et HT. On dispose alors d'un ensemble de données qui permet de mettre en évidence, pour la plupart de ces minéraux, un comportement anharmonique à HT. Dans une seconde approche "microscopique", les propriétés thermodynamiques d'un minéral sont calculées par modélisation vibrationnelle à partir de ses spectres infrarouge et Raman. Une méthode originale de mesure de l'anharmonicité est développée, fondée sur l'enregistrement des spectres vibrationnels à HP et HT. On montre alors pourquoi et comment les valeurs des capacités calorifiques s'écartent à HT de la limite prédite par une théorie harmonique. Cette méthode "microscopique" originale, qui ne nécessite que quelques milligrammes de matière, est ainsi développée et testée sur des matériaux pour lesquels elle peut être confrontée aux données "macroscopiques" (e.g. calorimétrie). Elle pourra dans l'avenir être appliquée aux phases de très haute pression du manteau terrestre, dont la métastabilité et les faibles quantités synthétisées empêchent la caractérisation par les méthodes classiques "macroscopiques".No abstrac

Subduction de la croûte océanique dans le manteau inférieur (une étude pétrologique)

PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF

Etude expérimentale des réactions de carbonatation minérale du C02 dans les roches basiques et ultrabasiques

Une des voies envisagées pour limiter la teneur atmosphérique en CO2 est son stockage minéral sous forme de carbonates stables sur des périodes géologiques. Le but de cette thèse était d'étudier les réactions de piégeage de CO2 sous forme de carbonates dans les roches basiques et ultrabasiques. Une première étude, relative à la dissolution de la sidérite (FeCO3) par spectroscopie d'absorption des rayons X sous pression et température, a été réalisée dans le but d'étudier l'une des réactions limitantes du piégeage minéral. Une loi de dissolution, une énergie d'activation et des données de spéciation du fer en solution ont été obtenues. Ces expériences ont permis de tester le potentiel de micro- réacteurs sur ligne synchrotron pour ce type d'études. Un modèle analogique de la réaction de carbonatation de roches basiques et ultrabasiques à 90C et 280 bar de CO2 a permis d'identifier que des mécanismes de dissolution nucléation précipitation de sidérites/ankérites/ magnésites zonées contrôlent la carbonatation. Le taux de piégeage minéral dans ces conditions est de quelques pourcents par an. Pour étudier des situations à taux de carbonatation plus élevés, une étude sur minéraux triés a été réalisée entre 400 et 500C et 1,0 et 1,7kbar. Dans ces conditions le taux de piégeage minéral atteint plusieurs dizaines de pourcents en quelques heures. Les effets de la fugacité d'eau et de la salinité ont été étudiés. L'analyse minéralogique et chimique des produits de réaction a permis de mettre en évidence un couplage stoechiométrique entre la serpentinisation et la carbonatation de l'olivine. Une méthodologie permettant de réaliser des bilans de masse à partir des données isotopiques du carbone a été mise au point, suggérant l'importance de la formation de quantités faibles mais significatives d'espèces de carbone réduitMineral storage of carbon dioxide in the form of geologically stable carbonates is an option for mitigating the atmospheric CO2 increase. The purpose of this thesis has been to study carbonate formation in basic and ultrabasic rocks under high pressure high temperature possible CO2 injection conditions. First, data on siderite dissolution, a reaction limiting CO2 mineral storage, have been acquired by x-ray absorption spectroscopy under high pressures and high temperatures. A dissolution rate law, an activation energy and solution speciation data are given. These experiments have allowed to test the potential for these kinds of studies of batch microreactors mounted on synchrotron beamlines. Then, a laboratory experiment aimed at mimicking CO2 injection in basic and ultrabasic rocks at 90C and 280 bar CO2 pressure is shown. Carbonatation by dissolution/precipitation of peridotites, basalts and serpentinites yields zoned siderites/ankerites/magnesites with mineral storage rates, depending on the substrate rock, of few percents per year. Finally, in order to study cases with high carbonatation rates, an experimental study on olivines, pyroxenes and serpentines has been relalized at 400-500C and 1-1.7 kbar. Mineral storage rates of several percents per hour have been measured. The importances of water fugacities and salinities have been evidenced and a stoichiometric coupling between carbonate production and olivine serpentinization has been shown. A methodology based on carbon isotopic analyses has been developed for establishing mass balances. It suggests that small but significant quantities of reduced carbon are formed in these experimentsPARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Sci.Terre recherche (751052114) / SudocSudocFranceF

High-Pressure Mineral Physics Seminar, 9th Edition

International audienc

Les systèmes Fe-FeS et Fe-S-Si à haute pression et haute température (implications pour les noyaux des corps planétaires)

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocSudocFranceF