Apports expérimentaux sur le cycle profond du carbone organique pendant la subduction

De récentes études thermodynamiques et expérimentales ont suggéré que les composés organiques pouvaient représenter une fraction importante du carbone dans les zones de subduction. Au-delà de ces études analogiques, l'observation de composés organiques solides associés aux minéraux de haute pression-haute température, hérités de la circulation hydrothermale océanique ou néoformés lors de la déstabilisation des carbonates pendant la subduction, atteste de l'existence d'un cycle du carbone organique profond en zones de subduction. Pour progresser dans notre compréhension de la dynamique du carbone au cours de la subduction, nous avons réalisé des expériences en piston cylindre et presse multi-enclumes mettant en jeu de la serpentine naturelle (antigorite) associée à des hydrocarbures polycycliques aromatiques synthétiques ou à des carbonates solides (calcite, ankérite). Une large gamme de pression (3-7 GPa) et de température (500-1000°C) a été explorée ainsi que différentes conditions d'oxydoréduction imposées in situ par du silicium métal ou via l’utilisation de doubles capsules. Ces expériences visaient à caractériser les interactions entre les carbonates solides oxydés, le carbone organique réduit et les phases minérales porteuses de fer ferreux (qui ont un fort pouvoir réducteur dans ces environnements) au cours de deux réactions clés dans les zones de subduction : la déshydratation de l'antigorite et de la chlorite. La composition et la structure des phases organiques dans les produits expérimentaux ont été caractérisées à l'échelle micro et nanométrique via des techniques de spectroscopie et d'imagerie à haute résolution (SEM-EDS, Raman, TOF-SIMS, Orbi-SIMS). Les résultats révèlent que les conditions d'oxydoréduction jouent un rôle déterminant dans la formation et la stabilité des phases organiques solides. Ces conditions influencent donc de manière significative la mobilité et le devenir du carbone dans les zones de subduction, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour contraindre le cycle du carbone profond.

Mots clés : zone de subduction, cycle du carbone profond, synthèse organique abiotique, hydrocarbures polycycliques aromatiques, carbone graphitique, serpentinites, haute pression-haute température, piston-cylindre, presse multi-enclumes, double capsule

Recent thermodynamic and experimental studies have suggested that organic compounds may represent a significant carbon fraction in subduction zones. Beyond these analogical studies, the observation of solid organic compounds associated with high-pressure-high-temperature minerals, inherited from oceanic hydrothermal circulation or neo-formed during the destabilization of solid carbonates during subduction, attests to the existence of a deep organic carbon cycle in subduction zones. To further our understanding of carbon dynamics during subduction, we carried out piston-cylinder and multi-anvil press experiments involving natural serpentine (antigorite) associated with synthetic polycyclic aromatic hydrocarbons or solid carbonates (calcite, ankerite). A wide range of pressures (3-7 GPa) and temperatures (500-1000°C) were explored, as well as different redox conditions imposed in situ by silicon metal or via the use of double capsules. The aim of these experiments was to characterize the interactions between oxidized solid carbonates, reduced organic carbon and ferrous iron-bearing mineral phases (which have a strong reducing power in these environments) during two key reactions in subduction zones: the dehydration of antigorite and chlorite. The composition and structure of the produced organic phases were characterized at the micro- and nanometric scales using high-resolution spectroscopy and imaging techniques (SEM-EDS, Raman, ToF-SIMS, Orbi-SIMS). The results reveal that redox conditions play a critical role in the formation and stability of solid organic phases. These conditions therefore have a significant influence on the mobility and fate of carbon in subduction zones, offering new perspectives for constraining the deep carbon cycle

Keywords: subduction zone, deep carbon cycle, abiotic organic synthesis, polycyclic aromatic hydrocarbons, graphitic carbon, serpentinites, high pressure-high temperature, piston-cylinder, multi-anvil press, double capsule