Introduction
Les profondeurs de la Terre restent un mystère, malgré les avancées technologiques. La composition interne de notre planète, les processus qui s'y déroulent et la présence éventuelle d'eau sont des questions qui fascinent les scientifiques. Cet article explore les découvertes récentes concernant l'existence d'un océan souterrain, sa profondeur, sa composition et son rôle potentiel dans la dynamique terrestre.
Les couches de la Terre et la zone de transition
Les couches de la Terre s'étendent du noyau à la surface. On distingue trois groupes généraux en fonction de leur composition : la géosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère. Chaque couche accumule une température plus élevée à mesure qu'elle se rapproche du noyau, en raison de l'augmentation de la pression. Entre le manteau supérieur et le manteau inférieur se trouve la zone de transition (TZ), située entre 410 et 660 kilomètres de profondeur. La pression y atteint des valeurs considérables, jusqu'à 23 millions de millibars, modifiant la structure cristalline des minéraux. À la limite supérieure de la ZT, à 410 kilomètres, l'olivine se transforme en wadsleyite, puis en ringwoodite à 520 kilomètres, des minéraux plus denses. Ces transformations minérales rendent difficile le déplacement des roches dans le manteau.
L'eau dans les profondeurs : une théorie confirmée
L'idée d'un océan intérieur a longtemps été reléguée au domaine de la fiction, comme dans le roman de Jules Verne, Voyage au centre de la Terre. Cependant, des études scientifiques récentes ont apporté des preuves de la présence d'eau à des profondeurs significatives. En 2014, une étude a révélé des indices de la présence d'eau à 500 km de profondeur. Une étude menée par des experts des États-Unis, d'Italie et d'Allemagne, publiée dans la revue Nature Geoscience, apporte de nouvelles preuves de l'existence de quantités importantes d'eau entre le manteau supérieur et le manteau inférieur de la Terre - à environ 410 et 660 km de profondeur.
Cette découverte confirme que l'eau océanique accompagne les pertes par subduction et pénètre dans la zone de transition, intégrant ainsi l'intérieur de la Terre au cycle de l'eau de notre planète.
Analyse d'un diamant révélateur
Une preuve concrète de cette présence d'eau provient de l'analyse d'un diamant exceptionnel découvert au Botswana. Ce diamant s'est formé à 660 kilomètres de profondeur, à la frontière entre la zone de transition et le manteau inférieur, une région où la ringwoodite est le minéral dominant. L'analyse a révélé que la pierre contient de nombreuses inclusions de ringwoodite, présentant une forte teneur en eau. La composition chimique de la pierre a également pu être déterminée.
Lire aussi: L'Enfant Océan : une réécriture du conte traditionnel
La ringwoodite hydratée avait déjà été détectée dans un diamant de la zone de transition en 2014. Cependant, il n'avait pas été possible de déterminer la composition chimique précise de la pierre car elle était trop petite. La découverte de ce diamant du Botswana confirme que la zone de transition n'est pas une éponge sèche, mais contient des quantités considérables d'eau.
Un océan de roche hydratée, pas d'eau libre
Il est important de noter que l'idée d'un océan à l'intérieur de la Terre, telle que l'imaginait Jules Verne, ne correspond pas à la réalité. Il n'y aurait pas d'océan d'eau libre dans les profondeurs, mais plutôt une zone de roche hydratée. L'eau est piégée dans la structure moléculaire des minéraux, sous forme de liaisons OH.
Provenance et rôle de cette eau profonde
Deux questions majeures se posent concernant cette eau souterraine. Tout d'abord, quelle est son origine ? Provient-elle du recyclage de l'eau lors du processus de subduction au niveau du plateau océanique, ou est-elle primordiale, issue des roches qui ont formé la Terre ? La Terre s’est formée il y a 4,5 milliards d’années, au cours d’un processus d’accrétion d’astéroïdes et de météorites. Ces corps rocheux sont responsables de la présence d’eau sur Terre. Une partie des scientifiques envisagent que les profondeurs pourraient bien contenir cette eau originelle. D’un autre côté, il est également probable que cette eau se soit retrouvée piégée lors du processus de subduction de la croûte océanique, qui pourrait entraîner de façon cyclique l’eau des océans dans les profondeurs de la Terre. Le docteur Tingting Gu indique qu’afin « de répondre à cette question, nous devons analyser les rapports isotopiques de l’hydrogène des minéraux hydratés et les comparer aux rapports isotopiques des météorites, ainsi qu’aux rapports isotopiques de surface, afin de déterminer si potentiellement cette eau contient de l’hydrogène provenant de la surface ou de l’intérieur. »
Si l’eau correspond à une donnée de la surface terrestre, il serait possible d'envisager un phénomène de subduction en domaine océanique. Si cela correspond à une donnée qui coïncide avec l’isotope des minéraux contenus dans les météorites, alors l'hypothèse d'une « eau primordiale », enfermée dans les profondeurs, serait privilégiée.
Ensuite, quel est le rôle de ce réservoir d'eau dans le fonctionnement de notre planète ? Il pourrait être la source d'un cycle d'eau profonde, crucial pour le fonctionnement de la Terre, influençant la distribution globale de l'eau, le volcanisme, le climat, ainsi que les propriétés physiques et chimiques de la roche du manteau terrestre. Graham Pearson établit quant à lui un lien entre la présence d’eau dans la zone de transition - dont les diamants sont les témoins, et la naissance des tremblements de terre dont le foyer est situé entre 300 et 660 km. « Il se peut qu'ils se forment au cours d’un processus appelé affaiblissement hydrolytique », un processus géologique au cours duquel l’eau provoque un affaiblissement des liaisons intermoléculaires qui composent la roche, pouvant causer l’effondrement de structures rocheuses profondes. Cette zone hydratée pourrait donc jouer un rôle essentiel dans la géologie terrestre, en ayant un effet direct sur l’activité tectonique des plaques.
Lire aussi: Thème océan chambre bébé
Méthodes d'étude et défis
L'étude de l'intérieur de la Terre est un défi majeur, car il est impossible d'y accéder directement. Le forage le plus profond jamais réalisé n'a atteint que 12,2 kilomètres. Les scientifiques doivent donc s'appuyer sur des méthodes indirectes, telles que l'analyse des ondes sismiques, l'étude des roches remontées par les volcans et l'analyse de diamants exceptionnels formés à de grandes profondeurs.
Les dorsales médio-océaniques sont des endroits clefs pour comprendre les mécanismes profonds de la Terre. Dans ces zones, la chaleur et des composants chimiques peuvent être « transférés du manteau vers la lithosphère, puis vers la croûte océanique, et peuvent également impacter la biologie des grands fonds. Ces échanges sont d’une importance planétaire », ajoute Andy Parsons. Les échantillons prélevés sur plus de 1 kilomètre jusqu’à des températures d’environ 200° C se présentent sous forme de carottes rocheuses. Ils ont été assez difficiles à obtenir en raison de l’agencement géologique particulier de cette région de l’Atlantique. « L’exposition est assez courbée. Ce que nous voyons verticalement était horizontal à l’origine », explique Andrew McCaig. Les tout premiers résultats suite à l’étude des roches prélevées dans le manteau ont révélé en profondeur une présence de péridotites caractéristiques des couches supérieures du manteau, et plus en surface des roches magmatiques, notamment du gabbro au niveau de la croûte océanique. Or ces premières études révèlent une évolution complexe des roches, des plus profondes à celles qui se trouvent le plus en surface. Les chercheurs ont trouvé beaucoup de serpentine dans les échantillons prélevés. Cette roche métamorphique résulte d’une transformation de la péridotite précédemment évoquée, quand celle-ci remonte vers la surface, et entre en contact avec l’eau de mer.
L'Hadéen : un océan de magma primordial ?
Pour comprendre cette théorie, il faut commencer par balayer l’idée selon laquelle le manteau terrestre est magmatique. Sous nos pieds, il y a 2 900 km de roches, d’abord une trentaine de kilomètres pour la croûte continentale puis tout le reste pour le manteau. On distingue le manteau supérieur jusqu’à 410 km, puis la zone de transition jusqu’à 660 km, puis le manteau inférieur jusqu’à 2 900 km. La densité des roches augmente lentement jusqu’à la valeur de 4,5 à la base. On y rencontre une couche de 200 à 300 km d’épaisseur assez mystérieuse appelée D’’, puis le métal liquide du noyau externe. D’après la récente étude de Reidar G. Trønnes et six autres scientifiques présentée ici, le noyau comporte 87,9 % fer en masse et 5,5 % de nickel. Les éléments non métalliques sont le silicium à 3,6 % et l’oxygène à 3 %. Cet alliage métallique est à peu près deux fois plus dense que les roches du manteau, si bien que celui-ci flotte dessus. Le noyau externe a une épaisseur d’environ 2 250 km. Il entoure le noyau interne, aussi appelé la graine, qui est une boule solide de 1 221 km de rayon. Elle s’est constituée par cristallisation de l’alliage fer-nickel et ce processus se poursuivra durant les prochains milliards d’années jusqu’à ce qu’il ne reste plus de liquide. Malgré la présence du noyau externe, la Terre doit être considéré comme plutôt solide, avec un manteau qui représente 84 % de son volume. Il n’en était pas de même durant son premier éon : l’Hadéen, qui s’étend de sa naissance il y a 4,57 milliards d’années au début de l’Archéen il y a 4 milliards d’années. L’existence d’un océan de magma externe est unanimement admis bien qu’il n’en existe actuellement plus aucune trace. Son existence est due à la chaleur libérée par l’accrétion de la Terre (son assemblage à partir de corps plus petits), à la formation du noyau par « chute » du fer au centre de la Terre et par la désintégration des isotopes radioactifs à courte durée de vie, comme l’aluminium 26. la température. lequel elle se trouve en fonction de ces deux variables. est exprimée en gigapascals GPa. profondeur d’une manière qui n’a pas varié au fil du temps. la base du manteau, elle a toujours été de 136 GPa. On peut toutefois évaluer quelques températures. À 660 km de profondeur (et 23 GPa de pression), il apparaît deux minéraux, la bridgmanite MgSiO3 et la périclase MgO (la présence de fer est ignorée dans ces formules) qui sont stables dans presque tout le manteau inférieur. La bridgmanite représenterait la moitié de la masse de la Terre ! Leurs systèmes cristallins sont respectivement orthorhombique et cubique. C’est à 1 600 °C qu’ils apparaissent. Une autre température est celle de la cristallisation du fer à la surface de la graine, à 5 150 km de profondeur et à une pression de 330 GPa. Ensuite, on considère le manteau terrestre comme un système convectif, ce qui permet d’effectuer des calculs. Il est certes solide mais ses roches sont déformables et il est animé de mouvements qui se comptent en centimètres par an et qui sont à l’origine de la tectonique des plaques. Ce système est refroidi à son sommet, chauffé à sa base par le noyau, ainsi que « dans la masse » : les isotopes radioactifs répartis dans tout le manteau libèrent une faible chaleur. Comme tout système convectif, il possède deux couches limites thermiques en haut et en bas, où la chaleur se transmet par conduction et où la température varie très vite. Elle passe de 15 °C à la surface à 1 300 °C à une centaine de kilomètres de profondeur, à la base de la lithosphère. Dans la couche D’’, elle grimpe de 2 200 °C à 3 700 °C. Entre ces deux couches, la température s’accroît lentement. Elle n’est due qu’à l’augmentation de pression avec la profondeur. À basses pressions et températures, la péridotite est entièrement solide. À partir de la ligne bleu Solidus, elle commence à fondre : elle est composée d’un mélange de liquide et de cristaux. Au-delà de la ligne rouge Liquidus, elle est entièrement liquide. Le gradient adiabatique actuel (Current adiabatic, en vert) est très loin du solidus, mais il s’en approche à la base de la lithosphère, ce qui permet au manteau de connaître une fusion partielle en certains endroits, à l’origine du volcanisme. Dans la couche D’’, surlignée en vert clair, la bridgmanite (bm) prendrait une autre structure cristalline, toujours orthorhombique mais à feuillets. Elle a été observée pour la première fois en laboratoire en 2004, à une pression de 130 GPa et une température de 2 300 °C. la Terre soit beaucoup plus chaude que maintenant. assurément. silicium. Il se peut même que la Terre ait été entièrement liquide, hypothèse qui avait été peu envisagée jusqu’à présent. Deux gradients adiabatiques situés au-delà du solidus ont été tracés. Le manteau a commencé à se solidifier à une profondeur médiane, créant deux océans de magma. Le schéma montre une coupe de la Terre durant l’Hadéen. L’accumulation de cristaux de bridgmanite a dû commencer entre 1700 et 1860 km de profondeur, où la pression était comprise entre 72 et 80 GPa. Le magnésium s’incorporait dedans tandis que le fer restait dans le liquide. Isolé thermiquement, l’océan de magma basal a eu une durée de vie plus longue que celle de l’océan externe. Il existait peut-être toujours au début de l’Archéen tandis que l’océan externe s’est cristallisé durant l’Hadéen. Précipitation et résorption cyclique de bridgmanite dans l’océan de magma basal. s’exsolvaient du magma. Les échanges chimiques entre le noyau et l’océan de magma basal ont fait perdre du silicium au premier, par transfert au second de silice liquide SiO2 et de cristaux de silice (du quartz quand ils sont à pression ambiante). Inversement, des oxydes de fer FeO et Fe2O3 liquides se déplaçaient de l’océan vers le noyau. Des cristaux plus denses et plus riches en fer que les roches du manteau ont pu s’accumuler à la base de l’océan, vers la fin de sa vie. Ces cristaux subsistent peut-être dans les grandes structures thermochimiques, stables depuis au moins des centaines de millions d’années, qui reposent sur le noyau, à plus de 2 000 km sous l’Afrique et le Pacifique et qui ont été une cause majeure de volcanisme. Leurs roches ont vraisemblablement une composition particulière, sans que l’on puisse encore dire laquelle. R. G. Les figures sont extraites de cet article, où elles ont été éditées sous licence CC-NC-ND 2.0.
Lire aussi: Importance de la Couche Thermique Océanique
tags: #océan #sous #la #couche #terrestre #profondeur