Étude de la localisation dans le manteau terrestre de l'uranium et du thorium : principales sources de chaleur de la Terre
Institution:
Université de Marne-la-ValléeDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The internal activity of the Earth is evidenced through earthquakes, volcanic eruptions, continental drift etc. . . These events are energetically related to the heat flux at the Earth surface (44 TW). About half of the energy required for this activity is generated by the radioactive decay of uranium, thorium and potassium, with roughly 80 % accounting for uranium and thorium. The location of these heat sources in the mantle is essential for a better understanding of the geodynamics and thermal behaviour of the Earth. In this study, we show that most of the U and Th in the Earth’s mantle are mainly concentrated in the Al-bearing CaSiO3 perovskite, which is the third phase in abundance within the lower mantle. We performed experiments at high pressure and high temperature in the (U,Th)-Ca-Al-Si-O system with both multi-anvil apparatus to 26 GPa and diamond anvil cell up to 54 GPa. The occurrence of a tetragonally distorted perovskite structure for the (U,Th)-bearing Al-CaSiO3 phase (space group: P4/mmm) is evidenced by analyzing HP-HT samples with electronic probe and x-ray diffraction methods. X-ray absorption spectroscopy confirmed that the incorporation of U and Th is made through the coupled substitution of CaSi by (U,Th)Al2 in the CaSiO3 perovskite. We performed ab initio calculations by density functional simulations within the generalized gradient approximation (GGA) and projector-augmented wave (PAW) method, to calculate the most favourable scenario of incorporation of U in the Ca-pv. In addition, results obtained in simple systems are confirmed by preliminary HP-HT experiments performed with U and Th in the pyrolitic system. This study propose that U and Th are concentrated in a Ca-pv that can be part of a primitive radiogenic deep layer recently proposed in geochemical and seismological models, from 1600 km depth to the lowermost part of the lower mantle
Abstract FR:
La Terre est une planète vivante dont l’intense activité interne se traduit par les tremblements de Terre, les éruptions volcaniques, la dérive des continents, etc … Ces manifestations sont liées énergétiquement au flux de chaleur mesuré à la surface de la Terre (44 TW). On estime que la moitié de l’énergie requise par cette activité est générée par la désintégration radioactive de l’uranium, du thorium et du potassium, dont 80% de cette énergie vient de U et Th. La localisation des sources de chaleur du globe dans le manteau terrestre est essentielle à la compréhension de la géodynamique et du comportement thermique de notre planète. Dans cette étude, nous montrons que l’uranium et le thorium du manteau inférieur sont principalement concentrés dans la perovskite calcique alumineuse Al-CaSiO3, qui est la 3ème phase en abondance du manteau inférieur. Nous avons réalisé des expériences à HP-HT dans le système (U,Th)-Ca-Al-Si-O, en presse multi-enclumes jusqu’à 26 GPa et en cellule à enclumes de diamant jusqu’à 54 GPa. L’analyse des échantillonssynthétisés à HP-HT par microsonde électronique et diffraction des rayons X, a permis de mettre en évidence une structure tétragonale pour la pérovskite (U,Th)-Al-CaSiO3 (groupe d’espace P4/mmm). La spectroscopie d’absorption des rayons X a permis de connaître l’état d’oxydoréduction de U et nous a donné des pistes sur la spéciation de U et Th dans cette pérovskite. Des calculs ab initio par simulation de densité fonctionnelle avec l’approximation de gradient généralisé (GGA) et les ondes de projection augmentées (PWA), ont été réalisés afin de valider nos expériences et déterminer le scénario le plus favorable énergétiquement à l’incorporation de U dans la Ca-pv. Les résultats obtenus dans un système simple ont été par la suite confirmés dans un système plus complexe, de composition pyrolitique, représentatif de la composition du manteau terrestre. Cette étude propose de concentrer U et Th dans une Ca-pv, qui se retrouverait au sein d’une couche de matière primitive et radiogénique, récemment proposée dans des modèles géochimiques et sismologiques, à partir de 1600 km de profondeur, et jusqu’à la base du manteau inférieur