Il y a une image qui revient chaque fois que le sujet refait surface dans les médias : celle d'un océan souterrain, immense, tapi sous la croûte terrestre. C'est une image séduisante, et c'est aussi la plus trompeuse qui soit. Ce que des géophysiciens traquent depuis un demi-siècle à la frontière du noyau terrestre, à quelque 2 900 kilomètres de profondeur, n'a rien d'une nappe d'eau. Il s'agit plutôt d'hydrogène, arraché à des molécules d'eau il y a longtemps, dissous dans du métal ou verrouillé dans des minéraux exotiques que nul n'a jamais tenus dans sa main.
Le site français Clubic a récemment relayé les travaux d'une équipe qui affirme avoir levé une objection majeure à cette hypothèse : comment de l'hydrogène d'origine superficielle pourrait-il rester piégé à cette profondeur, dans un environnement chimiquement et thermiquement hostile à sa présence. La question paraît abstraite. Elle touche pourtant à l'une des grandes inconnues des sciences de la Terre : d'où vient l'eau de nos océans, et où va-t-elle quand elle disparaît dans les zones de subduction.
Un soupçon vieux d'un demi-siècle
Le premier indice n'est venu ni d'un forage ni d'un séisme, mais d'une balance. Dans les années 1970, la géochimie isotopique a commencé à mesurer avec précision le rapport entre le deutérium, l'isotope lourd de l'hydrogène, et l'hydrogène ordinaire. Ce rapport, noté D/H, fonctionne comme une signature : chaque réservoir d'eau du système solaire possède le sien. Or certaines laves issues de panaches mantelliques profonds, notamment en Islande et sur l'île de Baffin, affichent des valeurs anormalement pauvres en deutérium, plus proches de celles de la nébuleuse solaire primitive que de l'eau de mer.
Autrement dit : quelque part sous nos pieds subsiste un réservoir d'hydrogène qui n'a jamais été recyclé par la tectonique de surface. Un héritage de la formation de la planète, resté à l'écart du brassage. Les travaux menés dans les années 2010 sur le comportement de l'hydrogène à très haute pression ont renforcé le soupçon, sans trancher la question du lieu où ce stock pouvait se cacher.
La zone de transition, un réservoir déjà démontré
Entre-temps, un étage intermédiaire a livré ses secrets. En 2014, une équipe dirigée par Graham Pearson, de l'Université de l'Alberta, a publié dans Nature l'analyse d'un diamant remonté du Mato Grosso, au Brésil. À l'intérieur : un grain microscopique de ringwoodite, une forme de haute pression de l'olivine qui ne se forme qu'entre 410 et 660 kilomètres de profondeur. Le minéral contenait environ 1 % d'eau en masse, sous forme d'hydroxyles insérés dans sa structure cristalline.
La même année, la revue Science publiait les travaux de Brandon Schmandt et de ses collègues, qui décelaient sous l'Amérique du Nord des signes de fusion partielle au sommet du manteau inférieur, exactement ce qu'on attendrait d'une roche hydratée franchissant une frontière de phase. Les deux résultats convergeaient : la zone de transition du manteau pourrait renfermer l'équivalent de plusieurs océans terrestres, non pas sous forme liquide, mais chimiquement liée aux minéraux.
Restait la question du plancher. Que devient cet hydrogène lorsqu'il descend plus bas encore, jusqu'à la couche D", cette zone tourmentée où le manteau rocheux vient buter contre le noyau de fer liquide, à près de 3 700 degrés Celsius et 135 gigapascals de pression ?
Le fer, ce voleur d'hydrogène
C'est là que la chimie devient contre-intuitive. Aux pressions modestes de la surface, l'hydrogène est un élément lithophile : il préfère la compagnie des silicates. Sous compression extrême, son comportement bascule et il devient sidérophile, c'est-à-dire qu'il se dissout volontiers dans le fer métallique. Cette bascule est aujourd'hui l'une des explications les plus solides du déficit de densité du noyau terrestre, qui est de 7 à 8 % moins dense que ne le serait un alliage fer-nickel pur. Il faut donc y loger des éléments légers : soufre, silicium, oxygène, carbone, et vraisemblablement hydrogène.
Une autre piste a émergé en 2016 avec les travaux publiés dans Nature par Qingyang Hu et ses collègues, portant sur des phases inattendues de type pyrite, FeO2 et FeO2H, stables dans les conditions du manteau inférieur profond. Ces composés se forment lorsque de l'eau rencontre du fer sous très haute pression : l'eau se dissocie, l'oxygène s'accroche au métal, l'hydrogène s'échappe ou se retrouve partiellement retenu. Ce mécanisme dessine un cycle oxygène-hydrogène profond, distinct du cycle de l'eau que nous connaissons en surface, et il offre un candidat sérieux pour expliquer les fameuses zones à très faible vitesse sismique repérées juste au-dessus du noyau.
La contribution des travaux relayés par Clubic s'inscrit dans cette lignée : montrer que l'hydrogène, une fois arrivé à la frontière noyau-manteau, peut y rester séquestré durablement plutôt que d'être immédiatement avalé par le noyau ou renvoyé vers le haut. Un piège, au sens géochimique du terme.
Pourquoi cela compte
Si cette séquestration est réelle, plusieurs bilans doivent être révisés. Le premier est celui du cycle de l'eau lui-même. Les plaques océaniques qui plongent dans les zones de subduction emportent avec elles des minéraux hydratés. Une partie de cette eau remonte par le volcanisme d'arc, mais une fraction poursuit sa descente. On ignore quelle proportion revient un jour à la surface. Si une partie s'accumule au contact du noyau sur des centaines de millions d'années, alors le volume des océans n'est pas un invariant, mais le résultat d'un équilibre lent entre entrée et sortie.
Le deuxième bilan concerne l'origine même de l'eau terrestre. Le scénario dominant fait venir l'essentiel de l'eau d'astéroïdes carbonés. Mais un stock d'hydrogène pauvre en deutérium au cœur de la planète plaiderait pour une contribution directe de la nébuleuse solaire, captée par la Terre en formation alors qu'elle était encore un océan de magma coiffé d'une atmosphère d'hydrogène.
Le troisième est plus technique mais tout aussi lourd de conséquences : la présence d'hydrogène modifie la conductivité, la température de fusion et la viscosité du noyau externe, donc la mécanique de la géodynamo qui engendre le champ magnétique protégeant la biosphère des vents solaires.
Les limites de l'exercice
Il faut rappeler que personne n'ira vérifier. Le forage le plus profond jamais réalisé, le puits superprofond de Kola, en Russie, plafonne à 12,3 kilomètres, soit moins d'un demi-pour-cent de la distance qui nous sépare du noyau. Toute cette science repose sur trois piliers indirects : la sismologie, qui radiographie l'intérieur du globe grâce aux ondes des tremblements de terre ; les expériences en cellule à enclumes de diamant, qui reproduisent des pressions colossales sur des échantillons de quelques dizaines de micromètres ; et la simulation numérique ab initio, qui calcule le comportement des atomes à partir de la mécanique quantique.
Chacun de ces piliers a ses angles morts. Les échantillons expérimentaux sont minuscules et maintenus quelques instants seulement, là où la nature travaille sur des milliards d'années. Les modèles numériques dépendent d'approximations. Et les anomalies sismiques de la couche D" admettent plusieurs interprétations concurrentes : fusion partielle, accumulation de croûte océanique ancienne, réactions fer-silicates. L'hydrogène n'est qu'un candidat parmi d'autres, même s'il gagne en crédibilité.
C'est probablement ainsi qu'il faut lire cette annonce : non pas comme la découverte d'un océan enfoui, mais comme le renforcement d'une hypothèse qui, si elle se confirme, obligera à réécrire les manuels sur la manière dont une planète rocheuse conserve, ou perd, son eau.