Hydrogen and carbon derived from disolved H2O and CO2 in minerals and melts

A detailed evaluation of the dissolution, mechanism of water and carbon dioxide in nominally anhydrous and carbonate-free minerals leads to a number of consequences which appear important for the petrology of mantle-derived rocks and their melting behavior in the presence of fluids. (1) The dissolution of water leads to the formation of OH- which may react to form molecular H2, O- and eventually peroxy anions, O22-. (2) The molecular hydrogen (see pt. 1) may escape, resulting in a system stoichiometrically enriched in oxygen, which may exsolve at certain well-defined temperatures as molecular O2. (3) Dissolved carbon dioxide may form carbonate ions, CO32-, but — more important — it dissociates to form very mobile "atomic" C and O-. The C atoms are bonded to either two or one O- as CO22- or CO-. (4) Strains induced by the dipolar species CO2 and CO- (see pl. 3) may lead to defect ordering which causes otherwise non-ferroelectric minerals to become ferroelectric. (5) Applied non-uniform stress will cause a diffusion flux of the dissolved carbon (see pt. 3), which may be fast, carrying carbon over geologically significant distances. (6) The experimentally observable CO2 evolution from heated silicate minerals is not a proof of an initial presence of CO22-, because C02 also evolves from CO3-2, the atomically dissolved carbon. (7) The dissolution of CO2 in solid silicates proceeds via chemisorption even at P = 1 bar and room temperature. Hence, the solid rock reservoir of the Earth may contribute to buffering the CO2 partial pressure of the atmosphere. (8) Reaction of dissolved "atomic" C with cations, hydrogen and lattice oxygen may lead to metallo-organic compounds. (9) Hydrocarbons, considerably mor complex than methane, are formed at fractured crystal surfaces as a result of the reactions of dissolved "atomic" C with H2 (see pl. 1). (10) Nitrogen may also be dissolved in silicate minerals. Upon heating it exsolves as N2 or react with "atomic" C, H2 and O- to give amino compounds. A quantitative assessment of the local strains associated with dissolved carbon species, with molecular hydrogen and the peroxy anions will allow us to calculate the solubility difference for CO2 and H2O in solids and melts.Un examen détaillé des mécanismes de dissolution de l'eau et du CO2 dans des minéraux nominalement anhydres et exempts de carbonates conduit à diverses conséquences qui paraissent importantes pour la pétrologie des roches originaires du manteau et leur fusion en présence de fluides. (1) La dissolution d'eau conduit à la formation de OH- qui peuvent réagir pour former de l'H2 moléculaire, O- et en fin de compte des cuivres peroxydes O22-. (2) L'hydrogène moléculaire (voir le point 1) peut s'échapper, laissant un système stoéchiométriquement enrichi en oxygène, qui peut se dégager à certaines températures bien définies sous forme de O2 moléculaire. (3) Le CO2 dissous peut former des ions carbonates, CO22-, mais, et de manière plus importante, il se dissocie pour former O- et du carbone "atomique" C très mobile. Les atomes de C sont liés à un ou deux O- sous forme de CO22- ou CO-. (4) Les déformations induites par les espèces dipolaires CO22- et CO- (voir le point 3) peuvent conduire à des défauts semblables à ceux qui provoquent la transition ferro-électrique - non-ferroélectrique des minéraux. (5) L'application de contraintes non uniformes cause un flux de diffusion du carbone dissous (voir le point 3), qui peut être rapide, transportant le carbone sur des distances importantes. (6) Le dégagement observé de CO2 d'un minéral silicaté chauffé n'est pas la preuve de la présence initiale de CO32-, parce que du CO2 se dégage aussi à partir de CO32-, le carbone atomique dissous. (7) La dissolution de CO2 dans des silicates solides se produit par chimisorption même à P = 1 bar et à température ambiante. Ainsi, les roches terrestres contribuent à tamponner la pression partielle de CO2 de l'atmosphère. (8) La réaction du carbone "atomique" dissous C avec des cations, de l'hydrogène ou de l'oxygène du réseau peut conduire à des composés métallo-organiques. (9) Des hydrocarbures, considérablement plus complexes que le méthane, sont formés sur les surfaces de fracture des minéraux, à la suite des réactions du carbone atomique dissous avec H2 (voir le point 1). (10) L'azote peut également être dissous dans les minéraux silicatés. Lors d'un chauffage, il se dégage sous forme de N2 ou réagit avec le C "atomique", H2 et O- pour donner des composés aminés. Une évaluation quantitative des déformations locales associées aux espèces de carbone dissoutes, à l'hydrogène moléculaire et aux anions peroxydes nous permettront de calculer les différences de solubilité du CO2 et de H2O dans les minéraux et les liquides.Freund Friedemann, Wengeler Heinz, Kathrein Hendrik, Knobel Rolf, Oberheuser Gert, Maiti Gobinda C., Reil Dieter, Knipping Uwe, Kötz Jürgen. Hydrogen and carbon derived from disolved H2O and CO2 in minerals and melts. In: Bulletin de Minéralogie, volume 106, 1-2, 1983. Silicates liquides