C'était un jour de printemps en 2009 et John McNeill avait une poche remplie de diamants.
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Son conseiller de doctorat, le géochimiste Graham Pearson, avait envoyé McNeill dans un laboratoire à Vienne avec une cartouche de film remplie de diamants «ultradeep». Ce n'étaient pas les joyaux étincelants d'une bijouterie, mais les diamants bruts et ternes qui avaient explosé à la surface d'une région située à des centaines de kilomètres de profondeur dans le manteau terrestre, la zone de transition que les mineurs du district de Juína, au Brésil, avaient découvertes plusieurs années auparavant. . Les bijoutiers avaient passé les pierres nuageuses, mais pour les scientifiques, ces précieux minéraux étaient des fenêtres donnant sur la Terre profonde.
Dans un laboratoire obscurci, McNeill dirigea un faisceau de lumière sur la surface de pierre à pierre, mesurant le spectre dispersé par les diamants et leurs impuretés - espérant trouver dans ces inclusions des minéraux qui pourraient lui indiquer la formation de ces diamants.
Ce qu'il a découvert a plutôt fourni aux scientifiques les premières preuves concrètes de la présence d'eau dans les profondeurs de la Terre. S'il existait un vaste réservoir de molécules d'eau intégrées dans des minéraux à des centaines de kilomètres de profondeur, cela pourrait expliquer comment notre planète bleue a évolué pour devenir une planète avec tectonique des plaques et eau, pour finalement devenir habitable. Les scientifiques pensent que comprendre ce processus n’est pas seulement historique: plus nous en saurons sur ce qui a rendu la vie possible sur notre planète, plus nous en saurons sur la possibilité de trouver un habitat habitable en dehors de notre système solaire.
À l'époque, McNeill était chercheur à l'Université Durham. Lorsque lui et Lutz Nasdala, le scientifique dans le laboratoire duquel il travaillait, comparèrent le spectre créé par une impureté dans l'un des diamants à une base de données de minéraux, ils trouvèrent quelque chose d'étonnant: une tache microscopique de cristal verdâtre emprisonnée dans le diamant ressemblait à ce pourrait être du ringwoodite, un minéral qui n’a jamais été synthétisé que par des laboratoires ou trouvé sur des météorites. Il n'était jamais apparu dans la matière de la Terre.
Si c'était le cas, ce serait un gros problème. Le ringwoodite synthétique était connu pour pouvoir incorporer des molécules d'eau dans sa structure. Ainsi, cet échantillon terrestre pourrait enfin pouvoir régler un débat de plusieurs décennies sur la quantité d’eau piégée dans la zone de transition - une couche qui s’étend de 250 à 400 miles sous la croûte - et sur la façon dont elle est arrivée là.
À la fin des années 1980, le géophysicien Joseph Smyth de l'Université du Colorado, Boulder, avait prédit que certains minéraux dans la zone de transition du manteau pourraient avoir de la place dans leurs structures pour les molécules d'eau. Mais comme personne ne pouvait creuser aussi loin dans la zone de transition pour prendre le regard, la plupart des preuves en étaient soit théoriques, soit le résultat d’expériences en laboratoire. D'autres scientifiques ont exprimé leur désaccord, notant que la manière dont les ondes sismiques se déplaçaient sous la surface - et la rareté des tremblements de terre profonds - prédisaient une zone de transition sèche.
Le diamant de McNeill a fourni une fenêtre de la taille d'un pois dans cette couche cachée au centre de la Terre, permettant aux chercheurs d'avoir un aperçu de la composition de notre planète.
Environ deux ans plus tard, McNeill avait obtenu son diplôme et Pearson avait quitté l'Université de Durham pour poursuivre ses recherches à l'Université de l'Alberta au Canada. Un jour d'hiver 2011, dans un laboratoire au sous-sol sans fenêtre, son collègue Sergei Matveev a suspendu avec précaution le diamant contenant du ringwoodite dans un microscope infrarouge pour analyser le contenu de la minuscule inclusion.
Il a fallu quelques heures à Matveev pour positionner le diamant à la perfection afin qu’il puisse prendre une mesure. Mais une fois qu'il l'a mis en place, il n'a fallu que quelques minutes pour obtenir ses résultats: le ringwoodite contenait de l'eau.
Matveev a essayé de rester calme, mais Pearson était excité. Il préfère ne pas répéter ce qu'il a dit dès qu'il s'est rendu compte que la théorie et les expériences de laboratoire pouvaient désormais être complétées par une observation directe de l'eau des profondeurs du manteau terrestre.
«Ce n'est peut-être pas imprimable», dit-il.
Un cristal bleuté de ringwoodite dans une cellule à enclume de diamant. (Steve Jacobsen / Northwestern University) McNeill, Pearson et leurs collègues ont publié leur découverte dans la revue Nature en 2014, mais la question demeure: à quel point ce minuscule diamant est-il représentatif de toute la zone de transition? Les deux scientifiques ont pris soin de noter que leur article ne fournissait la preuve de l'eau que dans la petite poche du manteau où ce diamant s'était formé.
Si cet échantillon minuscule de ringwoodite était vraiment représentatif, la zone de transition pourrait contenir autant d'eau que tous les océans de la Terre, voire davantage. Et si c'était le cas, cela pourrait aider à expliquer comment la tectonique des plaques se déplace, formant des montagnes et des volcans.
Le géophysicien Steve Jacobsen de la Northwestern University met en garde contre l'idée de considérer cette eau comme un océan sous-marin de Jules Verne rempli de monstres marins. Au lieu de cela, il compare l'eau dans la zone de transition au lait dans un gâteau. Le lait liquide entre dans la pâte, mais une fois que le gâteau est sorti du four, ses composants sont incorporés à la structure du gâteau. Ce n'est plus humide, mais c'est toujours là.
Et Jacobsen pensait avoir un moyen de savoir à quel point cette eau était «cuite» dans la Terre sous l’Amérique du Nord.
À l'intérieur de notre planète, des roches incroyablement chaudes et légèrement visqueuses se déplacent vers la surface à certains endroits, tandis que dans d'autres, elles suintent vers le noyau sous un courant lent appelé convection. À mesure que des minéraux comme le ringwoodite transitent de plus en plus profondes dans le manteau, les températures et pressions élevées déforment la structure du minéral. La ringwoodite à nuances de bleu, par exemple, commence sous forme de cristal vert appelé olivine près de la surface, se métamorphose en ringwoodite dans la zone de transition et se change en bridgmanite lorsqu'elle se déplace vers le manteau inférieur. Mais contrairement à la ringwoodite, la bridgmanite ne tient pas la route.
Jacobsen a émis l'hypothèse que si le ringwoodite dans la zone de transition contenait vraiment autant d'eau que le diamant de Pearson le suggérait, alors l'eau sortirait du ringwoodite comme du magma lorsque le minéral était pressé et chauffé pour devenir de la bridgmanite.
Jacobsen fabriqua donc du ringwoodite qui contenait de l’eau dans le laboratoire, la pressa entre deux diamants dans un étau de poche appelé presse à enclume de diamants et le chauffa avec un laser de grande puissance. Lorsqu'il a examiné les résultats, il a constaté que les températures élevées et les pressions élevées avaient effectivement comprimé l'eau de la pierre, créant de minuscules gouttelettes de magma.
Jacobsen pensait que si le ringwoodite recouvrait en réalité le magma riche en eau pressé dans le manteau inférieur, ces taches de magma devraient ralentir les ondes sismiques d'un séisme, créant ainsi une sorte de signature sismique de l'eau.
Ainsi, Jacobsen s'est associé au sismologue Brandon Schmandt de l'Université du Nouveau-Mexique pour rechercher ces signatures dans les données recueillies par la grille de sismomètres mobiles de la National Science Foundation appelée US Array, qui se déplaçait lentement à travers l'Amérique du Nord. Les chercheurs ont vu les hoquets sismiques qu’ils avaient prédit exactement là où ils pensaient, à la limite entre la zone de transition et le manteau inférieur de la Terre.
Lorsqu'il essaie de décrire ce que ces résultats signifiaient pour lui, Jacobsen est à court de mots. «C’est vraiment à ce moment-là que j’ai senti que les 20 dernières années de ma recherche en valaient la peine», a-t-il finalement déclaré. Lui et Schmandt avaient trouvé des preuves que de l'eau était piégée dans la zone de transition du manteau sous la plupart des États-Unis et ils ont publié leurs résultats dans la revue Science en 2014.
Mais il y avait toujours un grand angle mort: personne ne savait d'où venait cette eau.
Des ouvriers extraient des diamants dans la région de Juina au Brésil. (Graham Pearson / Université de l'Alberta) En septembre 2014, Alexander Sobolev s'est mis à la recherche de «nouveaux» échantillons de komatiites, des roches de lave rares datant de 2, 7 milliards d'années, dans l'espoir d'apprendre comment elles se sont formées.
Sobolev, professeur de géochimie à l'Université Grenoble Alpes, en France, a parcouru une partie de la ceinture de roches vertes de l'Abitibi au Canada avec un marteau qui tappait des komatiites prometteuses et écoutait attentivement les percussions métalliques. Les meilleurs, dit-il, produisent un son propre et magnifique.
Sobolev et ses collègues, Nicholas Arndt, également de l'Université Grenoble Alpes, et Evgeny Asafov, de l'Institut russe de géochimie Vernadsky, ont recueilli des morceaux de la taille d'un poing pour les ramener en France. Là, ils les ont écrasés et ont extrait les minuscules grains verts d’olivine qui étaient nichés à l’intérieur avant d’envoyer les fragments d’olivine en Russie pour y être chauffés à plus de 2 400 degrés F, puis rapidement refroidis. Ils ont analysé les inclusions fondues et refroidies piégées à l'intérieur de l'olivine pour comprendre ce qu'il était advenu des panaches de magma alors qu'ils gravissaient à travers le manteau.
L'équipe de Sobolev a découvert que, bien que ces komatiites ne contiennent pas autant d'eau que le ringwoodite de Pearson, il semblerait que le magma qui les a formés ait capté et incorporé une petite quantité d'eau alors qu'il traversait le manteau, probablement lorsqu'il traversait la transition. zone. Cela signifierait que la zone de transition du manteau contenait de l'eau il y a 2, 7 milliards d'années.
Ce point temporel est important car il existe un certain nombre de théories différentes - mais potentiellement complémentaires - sur le moment et la manière dont la Terre acquiert son eau et sur la manière dont cette eau s’infiltre profondément dans le manteau.
La première théorie disait que la jeune planète Terre était trop chaude pour retenir de l'eau et qu'elle est arrivée plus tard, en auto-stop sur des météorites ou des comètes détrempées. Cette eau a ensuite glissé dans le manteau lorsque les plaques tectoniques se sont superposées dans un processus appelé subduction. La deuxième théorie dit que l'eau existe sur notre planète depuis le début - c'est-à-dire depuis qu'un nuage de gaz et de poussières ont fusionné pour former notre système solaire il y a 4, 6 milliards d'années. Cette eau primordiale aurait pu être emprisonnée à l'intérieur de la Terre lors de son accrétion et avoir réussi à résister à la chaleur caniculaire de la jeune planète.
Donc, si l'eau était dans la zone de transition de la Terre il y a 2, 7 milliards d'années, cela signifie que le mouvement des plaques tectoniques devait avoir commencé beaucoup plus tôt dans l'histoire de la planète que ne le pensent actuellement les scientifiques, ou que l'eau était là depuis le tout début .
Lydia Hallis, pour sa part, soupçonne l’eau depuis toujours. Hallis, une scientifique planétaire de l'Université de Glasgow, a comparé ce qu'il appelle les différentes «saveurs» de l'eau des roches anciennes du manteau profond et de l'eau de mer ordinaire il y a plusieurs années. Tandis que la subduction mélange l'eau aux couches supérieures du manteau, les parties les plus profondes restent relativement immaculées.
L'eau est composée de deux molécules d'hydrogène et d'une molécule d'oxygène. Parfois, lorsqu'il est incorporé dans des roches, il se compose en réalité d'un hydrogène et d'un oxygène, appelé groupe hydroxyle. Différentes formes, ou isotopes, d'hydrogène ont des poids moléculaires différents, et l'isotope d'hydrogène plus lourd est appelé deutérium.
Les scientifiques pensent qu’à l’endroit du système solaire naissant où la Terre s’est formée, l’eau contenait beaucoup plus d’hydrogène régulier que de deutérium. Mais comme l'eau a persisté à la surface de la Terre, les molécules d'hydrogène les plus légères se sont échappées plus facilement dans l'espace, concentrant le deutérium dans notre atmosphère et nos océans.
Hallis a découvert que l'eau piégée dans des pierres de l'Arctique canadien, formées par du magma provenant des profondeurs du manteau terrestre, présentait un rapport deutérium à hydrogène inférieur à celui de l'eau de mer. La proportion dans ces pierres ressemble plus à ce que les scientifiques pensent de l'eau primordiale, suggérant que l'eau était une composante du manteau de la Terre depuis le tout début.
Cela n'exclut pas la possibilité que des roches spatiales humides se soient également infiltrées dans la Terre et aient partagé une partie de leur eau. Mais le débat fait rage. "C'est comme ça que la science fonctionne", dit Hallis. "Vous avez raison, jusqu'à ce que quelqu'un vous prouve le contraire".
Une cellule à enclume de diamant est utilisée pour simuler les conditions à l’intérieur de la Terre, en comprimant des échantillons à l’aide de pressions énormes. (Steve Jacobsen / Northwestern University) Pearson se demandait si l'examen des rapports entre le deutérium et l'hydrogène dans son inclusion de ringwoodite pourrait lui en dire plus sur la question de savoir si l'eau dans la zone de transition était primordiale, si elle y résultait de la subduction, ou si c'était un peu des deux.
Il a recruté Mederic Palot - un géochimiste actuellement à l'Université Jean Monnet en France - afin de polir le diamant jusqu'à l'inclusion de ringwoodite afin d'analyser les molécules d'hydrogène piégées à l'intérieur. C'était un processus risqué. Porter un diamant à une telle profondeur signifiait que ses entrailles étaient soumises à de nombreuses contraintes. Couper et polir le diamant pourrait l'endommager et l'inclure irrémédiablement.
Palot était prudent. Il a créé une sorte de dissipateur de chaleur en glace carbonique afin que le diamant ne surchauffe pas alors qu'il rasait de minuscules fragments de la surface du minéral avec un laser. Après chaque minute de polissage, il a examiné le diamant au microscope pour s'assurer que la précieuse inclusion de ringwoodite était toujours présente.
Après 12 heures de polissage, Palot savait qu'il se rapprochait de l'inclusion. Il a vérifié le diamant au microscope à 23 heures, presque là. Il a poli pendant une minute et a ensuite vérifié le diamant à nouveau. L'inclusion avait disparu.
Palot la chercha frénétiquement pendant une journée entière, parcourant la zone autour du microscope à la recherche d'un grain de ringwoodite plus petit qu'un grain de poussière.
Il se souvient de la terrible sensation d'avoir à appeler Pearson pour lui annoncer que le seul échantillon de ringwoodite jamais découvert qui s'était formé dans la Terre avait disparu.
Mais Pearson pensait déjà au prochain projet. «Il a dit:" C'est un jeu, nous savons que nous avons misé sur cela "", se souvient Palot. Et puis Pearson lui a dit qu'ils avaient un autre échantillon qui pourrait être intéressant. Il avait récemment effectué un voyage dans la même région du Brésil, où le diamant contenant du ringwoodite était originaire, et il a ramené de nouvelles gemmes, chacune avec des inclusions prometteuses à étudier. Maintenant, Palot, Pearson, Jacobsen et d’autres travaillent ensemble pour analyser un diamant de plus en plus profondément dans le manteau.
Pour Palot et chacun de ces scientifiques, observer les cristaux qui émergent des profondeurs de notre planète va au-delà de l’identification des ingrédients cuits dans la Terre il y a des milliards d’années.
"Ce point est sur la vie elle-même", dit Palot. «Nous savons que la vie est étroitement liée à l'eau. Si nous connaissons mieux le cycle de l'eau, nous saurons mieux comment la vie est née. ”
Et si nous connaissons l'origine de la vie sur notre planète, cela pourrait potentiellement nous aider à trouver la vie - ou des conditions de maintien de la vie - chez les autres.
Jacobsen ajoute: «Nous découvrons maintenant des planètes potentiellement habitables en dehors de notre système solaire. Et plus nous en saurons sur ce à quoi ressemble une planète habitable, plus nous pourrons les reconnaître. "
Selon Jacobsen, leur recherche d'eau au plus profond de la Terre n'a jamais été aussi pertinente.
En savoir plus sur cette recherche et plus à l'observatoire Deep Carbon.
