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De l'histoire de la Terre à la mécanique quantique

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La plupart des processus géologiques modelant la Terre entraînent des enrichissements isotopiques qui leur sont particuliers, et qui constituent en quelque sorte leur signature. Lorsque ces mécanismes d'enrichissement sont bien compris, la mesure des compositions isotopiques des roches peut alors servir à reconstruire les climats passés, à comprendre la dynamique interne de la Terre ou la formation du Système solaire. La prédiction théorique de ces processus d'enrichissement est indispensable à leur compréhension, mais se heurte à leur nature à la fois quantique et dynamique. Pour les solides et les gaz, une approche simplifiée est suffisante, mais le cas des liquides reste problématique. Pour la première fois, une étude théorique montre que pour comprendre et prédire le comportement d’isotopes dans des systèmes complexes contenant une phase liquide, une approche plus précise est nécessaire et possible.

Ce résultat, obtenu par des chercheurs du laboratoire Géosciences Environnement Toulouse (GET - CNRS / IRD / CNES / UT3) et du Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES - CNRS), a des implications majeures pour la compréhension de l’évolution de notre planète, car les processus isotopiques sont des marqueurs quantitatifs d’un grand nombre de processus (érosion, altération, interactions géosphère-biosphère). Ces travaux ont été publiés dans la revue Accounts of Chemical Research, le 23 juin 2017.

Au cours des temps géologiques, l’eau de mer transforme le basalte des fonds océaniques en l’attaquant chimiquement. Au terme de ce processus d’altération, le basalte est transformé en partie en argiles et en partie en sels dissous dans l’eau de mer. Le lithium, un élément chimique contenu initialement dans le basalte, va se retrouver alors réparti entre l'argile et l'eau de mer. Cette séparation va avoir des conséquences importantes sur les propriétés du lithium. Dans la nature, les atomes de lithium peuvent être de deux variétés, appelées « isotopes ». Ces deux variétés, notées 7Li et 6Li, ont des masses différentes (7 et 6) et vont présenter des affinités légèrement différentes pour l’argile et l’eau de mer.  Concrètement, la variété 7Li va se retrouver plus concentrée dans la solution que dans l’argile. Si la valeur de cet enrichissement, et sa dépendance aux conditions extérieures (température, composition chimique) est bien connue, on pourra alors utiliser la concentration en 7Li mesurée dans l’argile pour reconstituer l’histoire des événements géologiques qu’elle a connus, tels que l’attaque chimique du basalte.

Il est cependant nécessaire de bien comprendre ces mécanismes d’enrichissement pour se servir de ces mesures. Pour cela, des expériences en laboratoire peuvent être réalisées, reproduisant le plus fidèlement possible les conditions naturelles. Une approche plus simple à mettre en œuvre consiste à déduire ces propriétés d’enrichissement de calculs théoriques, basés sur la modélisation des phénomènes quantiques se déroulant à l’échelle de l’atome. A cette échelle, les atomes sont attachés deux à deux par des liaisons, comme par exemple le lithium avec l’atome d’oxygène des molécules d’eau qui l’entourent. Ces liaisons agissent comme un ressort ou un élastique entre les deux atomes, qui se mettent à vibrer sous l’effet de l’agitation moléculaire. La préférence du 7Li pour l’eau de mer vient alors de sa plus grande masse, qui le fera vibrer avec l’oxygène de manière plus lente que le 6Li. Pour comprendre cette préférence, il faut donc comprendre le comportement dynamique de l’atome de lithium, et comment celui-ci diffère dans l’eau de mer et dans l’argile.

Une méthode approchée très efficace, appelée « approximation harmonique », suppose une proportionnalité entre l’allongement de la liaison et sa force de rappel. Elle a été développée il y a 60 ans et a permis d’estimer précisément ces propriétés dynamiques et d’enrichissement isotopique pour de nombreuses espèces solides, comme les minéraux constituant les roches, et gazeuses, comme les molécules constituant l’atmosphère.

L’approximation harmonique a constitué le point de départ de la compréhension scientifique des effets d’enrichissement isotopique, mais son application aux liquides a longtemps posé problème. Les liquides, quoique d’une grande importance dans les processus naturels, sont d’une part plus difficiles à étudier expérimentalement pour leurs propriétés dynamiques, et d’autre part, ils présentent un comportement dynamique complexe, qui pourrait rendre fausse cette approche approximative. 



Dans ce travail, et sur le cas du lithium, les chercheurs impliqués montrent que pour les liquides, une autre approche doit être utilisée. Cette approche, appelée « dynamique moléculaire d’intégrales de chemin », est basée sur la formulation de la mécanique quantique développée dans les années 1960 par Richard Feynman, Prix Nobel de Physique, et permet le calcul de l'enrichissement isotopique de manière exacte.

En appliquant cette approche au cas du lithium, il a été attesté pour la première fois qu'il est indispensable de dépasser les limites de l'approximation harmonique pour comprendre les processus d'enrichissement isotopique des liquides. Ce travail lève par là-même le dernier verrou rendant jusqu'alors opaque la compréhension théorique des mécanismes de fractionnement isotopique, en couvrant le cas des liquides.

Pour lire l'intégralité de cet article, voir le site de l'insitut national des sciences de l'univers du CNRS.

Dates
le 17 juillet 2017

Date de mise à jour 29 août 2017


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