L’origine de l’eau sur notre planète est une question brûlante : L’eau a d’immenses implications pour la tectonique des plaques, le climat, l’origine de la vie sur Terre et l’habitabilité potentielle d’autres planètes semblables à la Terre. Dans une étude récente de Physical Review Letters, un professeur de Skoltech et ses collègues chinois suggèrent un composé chimique qui – bien qu’aujourd’hui disparu – aurait pu préserver l’eau en profondeur à l’époque violente où des collisions massives ont dû évaporer l’eau de surface de la Terre. En raison de son importance et de son originalité, l’article a été mis en avant en tant que ” suggestion de la rédaction ” et présenté sur dans le Physique magazine.
En plus d’être la substance essentielle à l’origine de la vie telle que nous la connaissons, l’eau de surface est importante pour stabiliser le climat d’une planète sur de longues périodes, permettant ainsi à l’évolution de se produire. On sait que même de petites quantités d’eau en profondeur augmentent considérablement la plasticité des roches, ce qui est essentiel pour la tectonique des plaques, un processus qui façonne les continents et les océans et provoque des tremblements de terre et du volcanisme. Mais malgré son importance considérable pour l’évolution des planètes rocheuses comme la nôtre, nous ne savons pas d’où vient l’eau de la Terre.
“Certains scientifiques pensaient que notre eau avait été ensemencée par des comètes, mais cette source semble être très limitée – la composition isotopique de l’eau dans les comètes est très différente de celle de la Terre”, explique le professeur Artem R. Oganov de Skoltech, qui a cosigné l’étude.
Si l’eau ne vient pas d’en haut, elle doit provenir d’en bas, des profondeurs du manteau ou même du noyau de la Terre. Mais comment a-t-elle pu survivre aux violentes 30 millions d’années de l’histoire de la Terre, lorsque la planète était très chaude et était sans cesse bombardée par des astéroïdes et a même subi une collision catastrophique avec un astéroïde. Mars-de la taille de Mars ? Ces processus ont dû évaporer une partie de la Terre et ce qui restait était en fusion à au moins plusieurs centaines de kilomètres de profondeur, éliminant l’eau. Jusqu’à présent, les scientifiques ne connaissaient pas de composé stable capable d’emprisonner les atomes d’hydrogène et d’oxygène à l’intérieur de la planète suffisamment longtemps pour les libérer ensuite sous forme d’eau.
Oganov s’est associé à un groupe de scientifiques dirigé par le professeur Xiao Dong de l’université de Nankai, en Chine, et ensemble, ils ont utilisé la méthode de prédiction de structure cristalline USPEX d’Oganov pour découvrir un composé qui répond à ces critères : l’hydrosilicate de magnésium, dont la formule est Mg2SiO5H2qui contient plus de 11 % d’eau en poids et est stable à des pressions de plus de 2 millions d’atmosphères et à des températures extrêmement élevées. De telles pressions existent dans le noyau de la Terre. Mais tout le monde sait que le noyau est une boule de métal – principalement du fer – et que les éléments qui composent l’hydrosilicate de magnésium n’y sont tout simplement pas disponibles, n’est-ce pas ?
“Faux. Il n’y avait pas de noyau à ce moment-là. Au début de son existence, la Terre avait une composition plus ou moins uniformément répartie, et il a fallu environ 30 millions d’années à partir de la formation de la planète pour que le fer s’infiltre jusqu’à son centre, poussant les silicates vers le haut, dans ce que nous appelons aujourd’hui le manteau”, explique Oganov.
Cela signifie que pendant 30 millions d’années, une partie de l’eau de la Terre a été stockée en sécurité sous forme d’hydrosilicates dans les profondeurs du noyau actuel. Pendant cette période, la Terre a résisté à la phase la plus lourde du bombardement d’astéroïdes. Au moment où le noyau s’est formé, les hydrosilicates avaient été poussés dans des zones de basse pression, où ils sont devenus instables et se sont décomposés. Cela a produit l’oxyde de magnésium et le silicate de magnésium qui constituent aujourd’hui le manteau, et l’eau, qui a commencé son voyage de 100 millions d’années vers la surface.
“Pendant ce temps, la Terre était assaillie par des astéroïdes et même par une protoplanète, mais l’eau était en sécurité, car elle n’avait pas encore atteint la surface”, ajoute Oganov.
Les chercheurs affirment que leur étude montre à quel point les intuitions humaines peuvent parfois être défectueuses. Personne n’avait pensé aux silicates aux pressions du noyau, car les atomes constitutifs étaient censés ne pas s’y trouver. Et même dans ce cas, les gens ne se seraient pas attendus à ce qu’un hydrosilicate soit stable dans les conditions du noyau, car les températures et les pressions extrêmes étaient censées “extraire” l’eau du minéral. Pourtant, une modélisation précise basée sur la mécanique quantique a prouvé le contraire.
“C’est aussi l’histoire d’un matériau qui a existé pendant un bref instant à l’échelle planétaire et qui a eu un impact considérable sur l’évolution de la Terre”, poursuit le spécialiste des matériaux. “Cela va à l’encontreà l’état d’esprit géologique habituel, mais en y réfléchissant, un biologiste évolutionniste, pour qui une grande partie de ce que nous voyons aujourd’hui a évolué à partir d’espèces aujourd’hui éteintes, ne serait guère surpris, n’est-ce pas ?”.
La nouvelle hypothèse de l’origine de l’eau a des implications pour d’autres corps célestes, également. “Mars, par exemple, est trop petite pour produire les pressions nécessaires à la stabilisation de l’hydrosilicate de magnésium”, explique Oganov. “Cela explique pourquoi elle est si sèche et signifie que, quelle que soit l’eau présente sur Mars, elle provient probablement de comètes”.
Ou encore, considérez les planètes en dehors de notre système solaire. “Pour être habitable, une exoplanète doit avoir un climat stable, ce qui nécessite à la fois des continents et des océans. Il doit donc y avoir de l’eau, mais pas trop”, ajoute Xiao Dong. “On estimait que pour qu’une planète semblable à la Terre, quelle que soit sa taille, soit habitable, elle ne devait pas contenir plus de 0,2 % d’eau en poids. Nos résultats impliquent que pour les grandes planètes semblables à la Terre, appelées “super-Terre”, l’histoire est probablement différente : dans ces planètes, les pressions stabilisant l’hydrosilicate de magnésium doivent exister même en dehors du noyau, enfermant de grandes quantités d’eau indéfiniment. Par conséquent, les super-Terres peuvent avoir une teneur en eau beaucoup plus importante et supporter quand même l’existence de continents exposés.”
Cela a même des implications pour la magnétosphère d’une planète. “A des températures de plus de 2.000 degrés Celsius, l’hydrosilicate de magnésium sera conducteur d’électricité, les protons d’hydrogène servant de porteurs de charge. Cela signifie que notre hydrosilicate contribuera aux champs magnétiques des super-Terres”, explique Oganov, ajoutant que la liste des conséquences de cette nouvelle hypothèse est longue.
Référence : “Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth” par Han-Fei Li, Artem R. Oganov, Haixu Cui, Xiang-Feng Zhou, Xiao Dong et Hui-Tian Wang, 21 janvier 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.035703
Artem R. Oganov reconnaît le financement de la Fondation scientifique russe (subvention n° 19-72-30043).
