Synthèse à haute pression de U2[CO3]3 et U[CO3]2 comme phases hôtes potentielles de l’uranium dans le manteau terrestre

Chaleur cachée au sein profond de la Terre

Une grande partie de la chaleur interne de la Terre provient de la désintégration radioactive lente d’éléments comme l’uranium. Cette chaleur alimente la tectonique des plaques, nourrit les volcans et façonne la planète sur des milliards d’années. Pourtant, les scientifiques ignorent encore en partie où et sous quelle forme l’uranium est stocké au sein du manteau profond. Cette étude explore une possibilité inattendue : certains roches riches en carbone, bien au-dessous de nos pieds, pourraient enfermer l’uranium dans des minéraux carbonés spécifiques, ce qui aiderait à expliquer la production de chaleur et le transport des éléments à l’intérieur de la Terre.

Pourquoi la localisation de l’uranium en profondeur importe

Les mesures de particules évanescentes appelées géoneutrinos montrent que l’uranium fournit une part importante de la chaleur interne de la Terre. Près de la surface, l’uranium se trouve dans une variété de minéraux, souvent lié à l’oxygène sous des formes bien connues comme l’uraninite et les carbonates uranyliques. Mais le manteau — la vaste couche rocheuse entre la croûte et le noyau — est différent. Les minéraux les plus courants du manteau n’acceptent pas facilement de grandes quantités d’uranium, il doit donc exister d’autres hôtes plus inhabituels. Parallèlement, nous savons, d’après les diamants et des expériences à haute pression, que certaines régions du manteau profond peuvent être étonnamment riches en carbone. Cela soulève une question clé : les minéraux carbonates, constitués de groupes carbone-oxygène, pourraient-ils piéger l’uranium sous les immenses pressions et températures présentes à des centaines de kilomètres de profondeur ?

Recréer l’intérieur de la Terre au laboratoire

Pour tester cette idée, les chercheurs ont recréé des conditions analogues à celles de la zone de transition mantellique, à environ 600 kilomètres de profondeur. Ils ont utilisé une cellule à enclumes de diamant, qui comprime un tout petit échantillon entre deux diamants pour atteindre des pressions d’environ 20 gigapascals — plus de 200 000 fois la pression atmosphérique. Ils ont placé un petit cristal d’oxyde d’uranium, un oxyde d’uranium courant, dans cette chambre de pression miniature et l’ont entouré de dioxyde de carbone solide. Puis ils ont chauffé l’échantillon au laser à environ 1 800 kelvins, température comparable à celle attendue dans cette partie du manteau. Pendant et après le chauffage, ils ont sondé l’échantillon par spectroscopie Raman, qui détecte l’interaction de la lumière avec les vibrations atomiques, et par de puissants faisceaux de rayons X synchrotron capables de révéler l’agencement atomique de tout nouveau cristal formé.

Découverte de nouveaux minéraux porteurs d’uranium

Les expériences ont montré que l’oxyde d’uranium a réagi avec le dioxyde de carbone comprimé pour former deux carbonates d’uranium entièrement nouveaux, tous deux dépourvus d’eau dans leur structure. Un composé, appelé U2[CO3]3, contient de l’uranium dans un état d’oxydation relativement bas (souvent décrit comme « trivalent »), tandis que l’autre, U[CO3]2, renferme de l’uranium dans un état d’oxydation légèrement plus élevé (« tétravalent »). Dans ces deux minéraux, le carbone et l’oxygène forment des groupes plats et triangulaires empilés et reliés de façons différentes, les atomes d’uranium étant entourés d’encaisses irrégulières d’atomes d’oxygène. Grâce à la diffraction des rayons X synchrotron, l’équipe a déterminé l’agencement tridimensionnel détaillé des atomes pour chaque composé. Ils ont ensuite utilisé des calculs avancés fondés sur la mécanique quantique pour confirmer que ces agencements sont stables et pour examiner la compressibilité des nouveaux minéraux sous pression.

Ce que révèlent les structures atomiques

Les données structurales et les calculs montrent que ces nouveaux carbonates d’uranium se comportent de manière analogue à d’autres carbonates de haute pression contenant des métaux plus courants, comme le calcium ou le strontium. Les distances entre l’uranium et l’oxygène, ainsi que la manière dont les groupes carbonate se lient entre eux, sont compatibles avec des liaisons solides et stables même à très haute pression. Fait important, l’uranium est présent sous des formes réduites par rapport à son état fortement chargé habituel dans les minéraux uranyliques proches de la surface. Cela correspond aux conditions plus pauvres en oxygène, dites « réductrices », attendues plus profondément dans le manteau. Les propriétés mécaniques — la façon dont les cristaux se compriment — se situent également dans la même gamme que celle des carbonates pertinents pour le manteau, ce qui suggère que ces phases pourraient survivre dans des conditions réalistes du manteau profond.

Implications pour l’intérieur de la Terre

En synthétisant et en caractérisant ces deux nouveaux carbonates d’uranium, l’étude montre que des carbonates simples et anhydres peuvent effectivement héberger de l’uranium aux pressions et températures du manteau profond, en particulier dans des régions riches en carbone. Cela fournit une réponse plausible à la question de l’endroit où une partie de l’uranium terrestre pourrait se trouver lorsque les plaques transportent des roches de surface vers le bas. Si des carbonates uranyliques formés près de la surface sont entraînés en profondeur, ils peuvent se transformer en carbonates d’uranium réduits comme ceux découverts ici, contribuant ainsi à stocker les éléments radioactifs et la chaleur qu’ils génèrent loin sous nos pieds. Des travaux futurs sur la stabilité de ces minéraux en présence d’autres roches du manteau permettront de préciser comment l’uranium est réparti dans l’intérieur de la Terre et comment il alimente le moteur thermique à long terme de notre planète.

Citation: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

Mots-clés: carbonates d’uranium, manteau terrestre, minéraux de haute pression, cycle profond du carbone, chaleur radiogénique