Inclusion de jeffbénite Mg3Al2Si3O12 dans le super

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 83 (2023) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 17 février 2023.

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La jeffbénite (ayant la même composition chimique que le pyrope, ~ Mg3Al2Si3O12, et également connue sous le nom de phase TAPP) est une inclusion minérale trouvée uniquement dans les diamants formés entre environ 300 et 1 000 km de profondeur) et est considérée comme une phase stable dans la zone de transition (410– 660 km de profondeur) et/ou dans les régions les moins profondes du manteau inférieur (environ 660 à 700 km de profondeur). Ce minéral rare et énigmatique est considéré comme un marqueur de pression pour les diamants très profonds et joue donc un rôle clé dans la recherche sur les diamants très profonds. Cependant, les champs de stabilité pression-température de la jeffbénite Mg3Al2Si3O12 sont inconnus et ses conditions réelles de formation restent inexplorées. Ici, nous avons déterminé le champ de stabilité thermodynamique pression-température pour l'élément d'extrémité en jeffbénite Mg et avons découvert de manière surprenante qu'il est stable dans des conditions de pression-température basses, c'est-à-dire 2 à 4 GPa à 800 et 500 ° C. Ainsi, la jeffbénite Mg3Al2Si3O12 n’est pas le polymorphe à haute pression du pyrope et est probablement une phase rétrogressée formée au cours des dernières étapes de remontée des diamants très profonds vers la surface.

La Jeffbénite (formule idéale Mg3Al2Si3O12) est un minéral rare qui jusqu'à présent n'était trouvé que sous forme d'inclusion minérale dans des diamants très profonds1. Il a été découvert en 19972,3 et depuis lors, il est appelé TAPP, acronyme de « Tetragonal Almandine Pyrope Phase » pour sa stœchiométrie, qui coïncide avec celle de la série des grenats pyrope-almandin. Cependant, la structure cristalline de la jeffbénite est différente de celle du grenat, le grenat et la jeffbénite sont donc en réalité des polymorphes. En 2016, TAPP a finalement reçu un nom de minéral approuvé par l'IMA, « jeffbenite » (IMA 2014-097)1, en hommage à Jeffrey W. Harris et Ben Harte, deux éminents experts dans le domaine de la recherche sur les diamants. Depuis sa première découverte il y a 26 ans, seules 23 jeffbénites naturelles ont été rapportées dans la littérature et 7 d'entre elles ont été identifiées uniquement par analyse chimique ; Deux autres jeffbénites rapportées dans la littérature sont synthétiques. Ainsi, seules 16 inclusions naturelles de jeffbénite dans des diamants très profonds ont été identifiées par diffraction des rayons X et/ou spectroscopie micro-Raman (voir le tableau 1, qui résume toutes les jeffbénites rapportées jusqu'à présent dans la littérature). Malgré leur rareté, les inclusions de jeffbénite dans les diamants sont considérées comme un indicateur d'une origine très profonde des diamants hôtes et il s'agit donc d'un minéral important. Son origine très profonde est en effet bien acceptée dans la littérature et la jeffbénite est généralement considérée comme une zone de transition ou un minéral du manteau inférieur par la communauté des chercheurs sur les diamants1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. ,13,14,15,16,17,18,19,20.

Cependant, à l’exception d’une jeffbénite synthétique très riche en Ti11, aucun champ de stabilité pression-température de la jeffbénite n’est actuellement publié et ce minéral reste une énigme géologique : (1) à quelle profondeur dans le manteau se forme réellement la jeffbénite ? (2) le membre terminal Mg de la jeffbénite est-il un polymorphe de grenat pyrope à pression supérieure ou inférieure ?

Pour répondre à ces questions, nous limitons ici le champ de stabilité pression-température de la jeffbénite pure, Mg3Al2Si3O12. Aucune donnée thermodynamique pour la jeffbénite n'étant disponible dans la littérature, nous calculons les données à partir des premiers principes, au niveau hybride Hartree-Fock/Density Functional Theory (HF/DFT), dans la limite de l'approximation quasi-harmonique et dans le cadre de thermodynamique statistique. Cela nous permet de comprendre la nature réelle du membre final Mg pur de la jeffbénite.

En effet, le présent travail était motivé non seulement par la nécessité de contraindre le champ de stabilité pression-température pour un minéral considéré comme caractéristique des diamants très profonds, mais aussi parce que déjà en 19972, l'étude de la première jeffbénite naturelle (indiquait à l'époque comme TAPP) ont révélé des incohérences en termes de volume et de densité par rapport au grenat. Dans le détail, la jeffbénite naturelle découverte en 19972 (échantillon 244B, sur lequel les auteurs ont affiné la structure cristalline) avait une composition approximative égale à [Mg2.64Fetot0.27(Ca + Na + Mn)0.08][Al1.85 Cr0.15 ][Si2.91Al0.09]O12 et a Mg# [Mg/(Mg + Fe)] = 0,91 ; son volume unitaire était de V = 774,35 (± 0,77) Å3. Ce volume de cellule unitaire peut être converti en un volume molaire égal à 11,657 (± 0,012) J/bar. En comparant ce volume molaire avec celui d'un grenat de composition similaire le long de la série pyrope-almandin [Mg2.70Fe0.30]Al2Si3O12 et Mg# = 0,91 (par exemple, voir le tableau 3 de la réf.21), il est évident que le volume molaire du grenat, qui est égal à 11,332(± 0,001) J/bar, est nettement inférieur à celui de la jeffbénite.