Un océan à l’intérieur de la Terre ? Il y a de l’eau à des centaines de kilomètres de profondeur

La zone de transition entre le manteau supérieur et inférieur de la Terre contient des quantités considérables d’eau, selon une étude internationale impliquant l’Institut des géosciences de l’Université Goethe de Francfort.

L’équipe de recherche germano-italo-américaine a analysé un diamant rare formé à 660 mètres sous la surface de la Terre à l’aide de techniques telles que la spectroscopie Raman et la spectrométrie FTIR. L’étude a confirmé quelque chose qui pendant longtemps n’était qu’une théorie, à savoir que l’eau de mer accompagne les dalles en subduction et entre ainsi dans la zone de transition. Cela signifie que le cycle de l’eau de notre planète inclut l’intérieur de la Terre.

La zone de transition (TZ) est le nom donné à la couche limite qui sépare le manteau supérieur et le manteau inférieur de la Terre. Il est situé à une profondeur de 410 à 660 kilomètres. L’immense pression allant jusqu’à 23 000 bars dans la TZ fait que l’olivine minérale vert olive, qui constitue environ 70% du manteau supérieur de la Terre et est également appelée péridot, modifie sa structure cristalline. A la limite supérieure de la zone de transition, à une profondeur d’environ 410 kilomètres, elle se transforme en wadsleyite plus dense ; à 520 kilomètres, il se métamorphose ensuite en ringwoodite encore plus dense.

“Ces transformations minérales entravent grandement les mouvements de la roche dans le manteau”, explique le professeur Frank Brenker de l’Institut des géosciences de l’université Goethe de Francfort. Par exemple, les panaches du manteau – des colonnes montantes de roches chaudes provenant du manteau profond – s’arrêtent parfois directement sous la zone de transition. Le mouvement de masse dans la direction opposée s’arrête également. Brenker déclare : « Les plaques de subduction ont souvent du mal à traverser toute la zone de transition. Il y a donc tout un cimetière de telles plaques dans cette zone sous l’Europe.

Cependant, jusqu’à présent, on ne savait pas quels étaient les effets à long terme de l’« aspiration » de matériaux dans la zone de transition sur sa composition géochimique et si de plus grandes quantités d’eau s’y trouvaient. Brenker explique : « Les dalles de subduction transportent également des sédiments des grands fonds vers l’intérieur de la Terre. Ces sédiments peuvent contenir de grandes quantités d’eau et de CO2. Mais jusqu’à présent, on ne savait pas exactement quelle quantité pénétrait dans la zone de transition sous la forme de minéraux et de carbonates hydratés plus stables – et il était donc également difficile de savoir si de grandes quantités d’eau y étaient réellement stockées.

Les conditions existantes seraient certainement propices à cela. Les minéraux denses wadsleyite et ringwoodite peuvent (contrairement à l’olivine à des profondeurs moindres) stocker de grandes quantités d’eau – en fait si grandes que la zone de transition serait théoriquement capable d’absorber six fois la quantité d’eau de nos océans. “Nous savions donc que la couche limite a une énorme capacité de stockage de l’eau”, explique Brenker. “Cependant, nous ne savions pas si c’était réellement le cas.”

Une étude internationale à laquelle a participé le géoscientifique de Francfort vient de fournir la réponse. L’équipe de recherche a analysé un diamant du Botswana, en Afrique. Il s’est formé à une profondeur de 660 kilomètres, juste à l’interface entre la zone de transition et le manteau inférieur, où la ringwoodite est le minéral dominant. Les diamants de cette région sont très rares, même parmi les diamants rares d’origine super profonde, qui ne représentent qu’un pour cent des diamants. Les analyses ont révélé que la pierre contient de nombreuses inclusions de ringwoodite – qui présentent une forte teneur en eau. De plus, le groupe de recherche a pu déterminer la composition chimique de la pierre. C’était presque exactement le même que celui de pratiquement tous les fragments de roche du manteau trouvés dans les basaltes partout dans le monde. Cela a montré que le diamant provenait définitivement d’un morceau normal du manteau terrestre. “Dans cette étude, nous avons démontré que la zone de transition n’est pas une éponge sèche, mais contient des quantités considérables d’eau”, déclare Brenker, ajoutant : “Cela nous rapproche également de l’idée de Jules Verne d’un océan à l’intérieur de la Terre.” La différence est qu’il n’y a pas d’océan là-bas, mais de la roche hydratée qui, selon Brenker, ne se sentirait ni humide ni goutte à goutte.

La ringwoodite hydratée a été détectée pour la première fois dans un diamant de la zone de transition dès 2014. Brenker a également participé à cette étude. Cependant, il n’a pas été possible de déterminer la composition chimique précise de la pierre car elle était trop petite. On ne savait donc pas à quel point la première étude était représentative du manteau en général, car la teneur en eau de ce diamant pouvait également résulter d’un environnement chimique exotique. En revanche, les inclusions dans le diamant de 1,5 centimètre du Botswana, que l’équipe de recherche a étudié dans la présente étude, étaient suffisamment grandes pour permettre de déterminer la composition chimique précise, ce qui a fourni la confirmation finale des résultats préliminaires de 2014.

La forte teneur en eau de la zone de transition a des conséquences importantes sur la situation dynamique à l’intérieur de la Terre. Ce à quoi cela conduit peut être vu, par exemple, dans les panaches du manteau chaud venant d’en bas, qui se coincent dans la zone de transition. Là, ils réchauffent la zone de transition riche en eau, ce qui conduit à la formation de nouveaux panaches du manteau plus petits qui absorbent l’eau stockée dans la zone de transition. Si ces petits panaches du manteau riches en eau migrent maintenant plus haut et traversent la limite du manteau supérieur, ce qui suit se produit : l’eau contenue dans les panaches du manteau est libérée, ce qui abaisse le point de fusion du matériau émergent. Il fond donc immédiatement et non juste avant d’atteindre la surface, comme cela se produit habituellement. En conséquence, les masses rocheuses de cette partie du manteau terrestre ne sont globalement plus aussi résistantes, ce qui donne plus de dynamisme aux mouvements de masse. La zone de transition, qui agit autrement comme une barrière à la dynamique, devient soudainement un moteur de la circulation matérielle mondiale.

Publication : Tingting Gu, Martha G. Pamato, David Novella, Matteo Alvaro, John Fournelle, Frank E. Brenker, Wuyi Wang, Fabrizio Nestola : Fragments péridotitiques hydratés du manteau terrestre Discontinuité de 660 km échantillonnée par un diamant. Géoscience de la natureNature Géosciences

Astrobiologie