Une expérience pousse la matière à des conditions extrêmes et révèle comment deux nouveaux minéraux pourraient détenir d’énormes réserves d’eau près du noyau de la Terre.
« L’eau est la vie » n’est pas qu’un mot: sans eau liquide, sur Terre, aucune des formes de vie que nous connaissons n’existerait. Mais son rôle ne se limite pas à la biologie. L’eau est aussi le lubrifiant invisible qui permet au manteau terrestre — le vaste manteau rocheux semi-solide compris entre la croûte et le noyau — de bouger, même très lentement. En hydratant les roches profondes, l’eau les rend plus « fluide », permettant aux couches de glisser l’une contre l’autre.
Ce mouvement alimente le cycle tectonique, le mécanisme qui, au cours de centaines de millions d’années, contribue à réguler le mouvement des plaques terrestres, à recycler les roches et les gaz à travers le manteau et, last but not least, le climat de la planète. «L’eau liquide est l’ingrédient clé de l’habitabilité de la Terre», écrit le géoscientifique Alfred Wilson, de l’Université de Leeds, dans un commentaire publié sur Nature Geoscience qui accompagne une nouvelle étude dédiée précisément aux réserves d’eau cachées dans les profondeurs de la planète.
Da dove viene e dov’è finita l’acqua?
Si d’un côté on savait déjà de la présence d’eau dans les profondeurs de la Terre, d’un autre côté restaient deux questions… «D’où vient l’eau emprisonnée dans le manteau ?» Les scientifiques avancent deux hypothèses principales. La première est que ce sont les astéroïdes, au cours des premiers millions d’années turbulents de la vie du système solaire, qui ont apporté l’eau sur Terre, qui serait restée emprisonnée sur la planète depuis sa formation. La seconde hypothèse est que l’eau soit arrivée plus tard, hydratant un manteau qui, à l’origine, était entièrement ou presque aride.
La seconde question est: «Où se cache cette eau à l’intérieur d’un manteau qui s’étend sur des milliers de kilomètres sous nos pieds ?» Le nouvel étude tente de combler cette lacune, indiquant comme lieu le plus probable la zone de frontière entre le manteau et le noyau externe liquide de la Terre — une région qui se trouve à près de 2.900 kilomètres de profondeur.
È proprio in questa fascia que les indagini sismiche hanno individuato da tempo strane anomalie chiamate « zone a velocità ultrabassa »: porzioni di mantello in cui le onde sismiche rallentano in modo anomalo, un indizio che lì la composizione della roccia è diversa dal resto del mantello.
Le manteau inférieur: un environnement hostile à l’eau
Pour s’orienter, il est utile de savoir que le manteau inférieur de la Terre s’étend environ entre 660 et 2 900 kilomètres de profondeur.
Il est dominé par deux minéraux, la bridgmanite et le ferropericlase, tous deux considérés essentiellement comme « secs », c’est-à-dire incapables de retenir des quantités significatives d’eau dans leur réseau cristallin.
Autres minéraux potentiellement hydratés existent, mais pour rester stables à ces pressions et températures, ils exigent des compositions chimiques très particulières, ou se décomposent tout simplement sous la chaleur extrême qui règne dans le manteau le plus profond, presque identique à celle de la surface du Soleil. Face à cette impasse apparente, le groupe de recherche a décidé de chercher ailleurs.
Diamanti, laser e una scoperta inattesa
Pour simuler les conditions extrêmes du manteau profond — des pressions de centaines de milliers d’atmosphères et des températures de milliers de degrés — les chercheurs ont utilisé des cellules à enclume de diamant chauffées au laser. Ce sont des instruments qui écrasent des échantillons de taille infime entre deux pointes de diamant distantes aussi fines qu’une feuille de papier, tandis que de puissants faisceaux laser les frappent pour reproduire la chaleur des profondeurs terrestres.
Dans ces conditions extrêmes est apparue une surprise: deux composés jamais observés auparavant, tous deux oxyhydroxyde de fer — c’est-à-dire des minéraux qui combinent fer, oxygène et hydrogène — capables d’emprisonner d’importantes quantités d’eau. Il convient de préciser qu’il s’agit, pour l’instant, d’une démonstration de possibilité, non de certitude, même si elles expliquent de manière incroyablement précise où peut être emprisonnée l’eau: les expériences démontrent que ces phases minérales peuvent se former et être stables dans les conditions du manteau profond, mais ne prouvent pas directement qu’elles soient vraiment présentes à l’intérieur de la Terre en ce moment. «L’identification de ces oxyhydroxyde de fer est importante car ce sont des phases denses et apparemment stables, capables de capturer et de retenir l’eau dans une large gamme de conditions du manteau inférieur», écrit Wilson dans son commentaire.
Un détail significatif est que ces minéraux se forment aussi lorsque l’eau disponible est peu élevée: dans certaines expériences, le matériau de départ contenait moins de 0,1% d’eau, et pourtant cette quantité minime a suffi à stabiliser les nouvelles phases cristallines. C’est un point crucial, car les profondeurs de la Terre ne doivent pas être imaginées comme un océan souterrain: toute réserve d’eau là présente doit nécessairement être « emprisonnée » dans des réseaux minéraux, souvent dans des environnements où l’eau à l’état libre est pratiquement inexistante.
Un ascenseur vers le noyau
Il y a un autre élément qui rend cette découverte intéressante: tous deux les minéraux sont stables dans les conditions extrêmes du manteau inférieur et se révèlent nettement plus denses que les roches environnantes.
Cela signifie que, lorsque l’ancien « océan de magma basal » — l’immense mer de roche fondue qui recouvrait la Terre au cours de ses premières phases de vie, il y a des milliards d’années — s’est progressivement refroidi et solidifié, ces minéraux riches en eau auraient pu se former les premiers et être ensuite coulés, par pure densité, jusqu’à la frontière entre manteau et noyau, où ils se trouveraient probablement encore aujourd’hui.
Mais cette eau emprisonnée n’est pas destinée à rester telle quelle pour toujours. Le manteau terrestre, bien qu’il soit solide, se meut sur des échelles géologiques par un phénomène nommé convection: d’immenses masses de roche remontent lentement vers la surface et d’autres s’enfoncent, dans un cycle qui dure des centaines de millions d’années. Lorsque le matériel riche en eau est entraîné vers le haut par ces mouvements, la pression diminue progressivement et à un moment donné les minéraux pourraient devenir instables, libérant l’eau qu’ils contenaient et la transférant à d’autres phases minérales du manteau. De là, une partie de cette eau pourrait remonter jusqu’à la surface via les «péninsules» du manteau — des colonnes de roche chaude qui remontent du fond, à l’origine de phénomènes volcaniques comme ceux des îles Hawaii — et à travers l’activité volcanique en général.
Vale la pena ricordare, à propos des difficultés de ce type de recherche, que l’homme n’a jamais pu creuser vraiment profond pour vérifier de visu ce qui se cache sous le sol: le puits superprofond de Kola, en Russie, a atteint un peu plus de 12 kilomètres, une fraction infime par rapport aux presque 2 900 kilomètres d’épaisseur du manteau. Pour cela, recréer en laboratoire les conditions physiques du sous-sol profond demeure le seul moyen de comprendre ce qui peut vraiment exister là-dessous.
Le domande ancora aperte
Nonostante l’entusiasmo, restano molti punti interrogativi, e lo stesso Wilson definisce il quadro attuale « incompleto ». Non è ancora chiaro con esattezza quanta acqua questi minerali possano effettivamente contenere, né cosa accada davvero quando raggiungono il confine tra nucleo e mantello. Resta inoltre da capire con quale velocità e facilità l’acqua imprigionata in queste profondità possa eventualmente risalire fino alla superficie.
Ciò che questa ricerca suggerisce, però, è un’idea affascinante: il ciclo dell’acqua terrestre — quello che a scuola si studia come pioggia, fiumi, mari ed evaporazione — potrebbe non fermarsi alla crosta, ma estendersi molto più in profondità di quanto si pensasse, jusqu’aux confins du noyau de la planète.
