Le phosphore, élément chimique indispensable à la vie animale et végétale, est présent dans toutes les cellules du vivant. Dans le monde organique (ARN, ADN) comme dans le monde minéral (Os, dents), le phosphore est toujours entouré de quatre atomes d'oxygène (groupement PO4). Bien qu'il n'y ait que 0,1 pourcent en poids de phosphore dans la croûte terrestre, les minéraux phosphatés sont importants par leur capacité à incorporer des éléments traceurs de la formation de la Terre (terres rares) et indicateurs de l'âge des roches (uranium, thorium). Le comportement géochimique du phosphore aux profondeurs du manteau terrestre restait inconnu. Cet élément est-il incorporé dans les silicates ou forme-t-il ses propres minéraux, les phosphates, comme à la surface du globe ? Y a-t-il du phosphore dans le métal du noyau terrestre ? A l'instar du silicium dont le nombre de premiers voisins oxygène passe de 4 à 6 dans la zone de transition, il était imaginé théoriquement, par le calcul de dynamique moléculaire, qu'un atome de phosphore puisse également être entouré de six atomes d'oxygène (PO6) mais à beaucoup plus grande profondeur.

Fabrice Brunet et son équipe du laboratoire de Géologie du CNRS et de l'Ecole normale supérieure, en collaboration avec un groupe de chercheurs en physique des matériaux du synchrotron SOLEIL et du Geodynamics Research Center de l'université d'Ehime au Japon, ont pensé que, bien que le phosphore soit essentiel à la vie à la surface du globe, cet élément pourrait se concentrer essentiellement dans les enveloppes profondes de la Terre. En cela, ils se basent sur le contenu en phosphore des météorites les plus primitives du système solaire dont la composition est censée représenter celle de la Terre dans son ensemble. Cette hypothèse est corroborée par les teneurs de près de 0,5 pourcent en poids d'oxyde de phosphore, P2O5, analysées dans des minéraux issus du manteau inférieur et ramenées à la surface sous la forme d'inclusions dans de rares diamants.

C'est ainsi que les chercheurs ont imaginé que le phosphore pouvait être présent, sous la forme PO6, dans la structure des silicates qui constituent l'intérieur de notre planète. Pour vérifier leur hypothèse, ils ont reproduit expérimentalement les conditions extrêmes de pression (200 000 atmosphères) et de température (1600°C) qui règnent dans les profondeurs de la Terre à la base du manteau supérieur (Figure 1). Au lieu de comprimer des phosphates, ils ont utilisé un mélange de quartz (SiO2 avec des groupements SiO4) et de phosphate d'aluminium (AlPO4), comme produit de départ. Sous l'effet de la pression et de la température, le quartz s'est transformé en stishovite (groupements SiO6). Les grains de stishovite produits ont incorporé, au cours de leur croissance, des quantités non négligeables de phosphore (de l'ordre de 1 pourcent en poids d'oxyde de phosphore, P2O5).

En analysant un grain de stishovite de quelques dizaines de microns (Figure 2) par micro-spectroscopie d'absorption au seuil du phosphore en utilisant le rayonnement synchrotron, les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, la forme PO6 du phosphore... Ce résultat va permettre non seulement de mieux comprendre la minéralogie du manteau profond mais aussi les échanges chimiques entre le noyau et le manteau terrestre et le rôle des zones de subduction dans le transfert d'éléments vers la Terre interne.

Références :

Brunet, F., Flank, A.-M., Itié, J.-P., Irifune, T., Lagarde, P. (2007) Experimental evidence of six-fold oxygen coordination for phosphorus. American Mineralogist, 92, 989-993.