Comment une gigantesque réserve d'eau (sur)vit dans les entrailles de la Terre

 

L’eau serait stockée sous forme d’hydrogène au sein de minéraux d’oxyhydroxyde de fer situés dans la partie profonde de la Terre.
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Des scientifiques ont découvert deux nouveaux minéraux capables de retenir l’eau dans des conditions de chaleur et de pression très élevées au sein du manteau inférieur de la Terre. Le cycle de l’eau pourrait s’étendre jusqu’à près de 2 900 kilomètres de profondeur, à proximité du noyau externe.
La structure interne de la Terre est composée de trois principales enveloppes emboîtées : la croûte, le manteau – supérieur et inférieur – et le noyau – externe et interne. Une équipe internationale de scientifiques européens et chinois vient d’établir qu’entre le manteau inférieur et le noyau externe liquide, à une profondeur comprise entre 660 et 2 900 kilomètres sous la surface, pourraient se trouver des minéraux capables de retenir d’importants volumes d’eau. Jusqu’à présent, on ignorait quels minéraux pouvaient stocker de telles quantités d’eau dans les conditions extrêmes régnant dans les entrailles de la Terre.
Les scientifiques, codirigés par le professeur Leonid Dubrovinsky de l’Institut bavarois de recherche en géochimie et géophysique expérimentales de l’université de Bayreuth (Allemagne), ont identifié deux composés de fer jusqu’alors inconnus qui pourraient stocker de l’eau. Ils publient leur étude dans la revue Nature Geoscience du 8 septembre.
Pour simuler les conditions physiques du manteau inférieur de la Terre, les chercheurs ont utilisé des cellules à enclume de diamant. Dans ce dispositif expérimental, de minuscules échantillons sont comprimés entre deux extrémités de diamant, puis chauffés à l’aide de lasers. Les conditions de température et de pression ainsi obtenues ressemblent à celles que l’on trouve à des milliers de kilomètres sous la surface terrestre.

Les oxyhydroxydes de fer denses sont des réservoirs potentiels d’eau
Grâce au rayonnement synchrotron, les chercheurs ont pu identifier les compositions chimiques et les structures cristallines qui se sont formées dans ces conditions. « La découverte de matériaux contenant de grandes quantités d’eau à des températures et des pressions extrêmement élevées a été une surprise », nous confie le professeur Dubrovinsky.
Ces expériences à haute pression et haute température ont conduit à la synthèse de deux oxyhydroxydes de fer – des composés chimiques formés d’oxygène, d’hydrogène et d’un métal – capables de séquestrer l’hydrogène, même dans des environnements quasiment dépourvus d’humidité. Les oxyhydroxydes de fer denses sont donc des réservoirs potentiels d’eau dans les conditions du manteau terrestre profond.
« Capables d’héberger à la fois de l’eau primordiale et de l’eau recyclée, expliquent les auteurs de l’article de Nature Geoscience, ces oxyhydroxydes denses fournissent une base minéralogique plausible pour les zones à très faible vitesse identifiées par observation sismique à la limite noyau-manteau. De plus, leur stabilité offre un mécanisme pour le transport des éléments volatils vers le noyau terrestre ou leur libération épisodique dans les panaches mantelliques. » En effet, ces oxyhydroxydes pourraient libérer l’eau stockée et d’autres substances volatiles dans les magmas ascendants, contribuant ainsi à relier les réservoirs profonds à l’activité volcanique à la surface de la Terre.
« Notre étude, souligne Leonid Dubrovinsky, identifie, pour la première fois, des phases minérales capables de conserver de l’eau dans les conditions extrêmes de pression et de température qui règnent à la limite noyau-manteau. La plupart des minéraux hydratés connus se décomposent bien avant d’atteindre cette région. En revanche, les oxyhydroxydes de fer découverts se forment à des pressions supérieures à environ 78 gigapascals et à des températures dépassant 2 100 °C. »
Ces matériaux présentent trois propriétés importantes, précise le professeur : « Ils peuvent incorporer des quantités importantes d’hydrogène. Ils sont plus denses que le manteau silicaté environnant, ce qui leur permet de couler et de s’accumuler près de la limite noyau-manteau au lieu d’être rapidement entraînés vers le haut. Ils se forment même lorsque seules de très faibles quantités d’eau sont disponibles. »

L’eau stockée sous forme chimique près du noyau de la Terre
Précision importante : les chercheurs ne soutiennent pas l’hypothèse d’un océan souterrain d’eau liquide. L’eau est, selon eux, stockée sous forme chimique – en tant qu’hydrogène – au sein de minéraux denses d’oxyhydroxyde de fer situés dans la partie la plus profonde du manteau, juste au-dessus du noyau externe liquide.
Cette eau joue un rôle crucial dans les processus géologiques de la Terre car elle influence la fusion du manteau, sa déformation et le transport chimique. Elle favorise le glissement lent des plaques rocheuses les unes sous les autres. Ce phénomène, essentiel au cycle tectonique, contribue au climat à l’échelle du temps géologique et au recyclage des roches et des composés à travers le manteau.
Mais comment cette eau s’est-elle retrouvée près du noyau externe ? Les résultats laissent entrevoir deux voies complémentaires. La première est un mécanisme « ascendant » que décrit ainsi Leonid Dubrovinsky : « Au début de l’histoire de la Terre, le manteau était largement en fusion. À mesure que cet océan de magma basal se cristallisait, le fer et l’eau se sont progressivement concentrés dans la masse fondue restante, près du noyau. Les oxyhydroxydes de fer, plus denses, auraient alors pu se cristalliser à partir de cette matière enrichie en fer et en eau, puis se déposer à la base du manteau. Une partie de l’eau qui y est stockée pourrait donc avoir survécu depuis les tout premiers stades de la formation de la Terre. »
La seconde voie est le recyclage, soit un mécanisme « de haut en bas ». Dans ce cas, ajoute le professeur, « l’eau des océans est incorporée dans la croûte océanique altérée et dans les minéraux hydratés. La subduction (quand une plaque tectonique s’enfonce sous une autre – NDLR) transporte cette matière dans le manteau, et une partie de son hydrogène pourrait finalement atteindre les profondeurs du manteau inférieur. Les oxyhydroxydes de fer pourraient capturer et retenir cet hydrogène recyclé près de la limite noyau-manteau ». Ainsi, ce gigantesque réservoir contiendrait à la fois de l’eau primordiale et de l’eau recyclée provenant de la surface de la Terre.
Toutefois, il demeure impossible de déterminer la quantité d’eau que contiennent ces nouveaux minéraux. D’ailleurs, « cela ne fait pas partie de notre étude », précise le professeur, dont l’objectif est désormais d’« étudier l’étendue de cette classe de matériaux et ce qui les rend stable ».

Anna Musso
L'Humanité du 21 septembre 26