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La Terre aurait connu des épisodes d’éruptions volcaniques émettrices d’oxygène

Injection d'oxygène à la base du manteau, d'après Mao Ho-Kwang et al., 2017.

Dans un article publié en novembre 2017 dans la National Science Review d’Oxford, des scientifiques ont émis l’hypothèse que la Grande Oxygénation qui s’est produite il y a 2,5 milliards d’années a été causée par des processus ayant lieu à la base du manteau inférieur de la Terre. Ordinairement, on suppose que l’oxygène, qui était auparavant quasiment absent de l’atmosphère terrestre, a été émis par des cyanobactéries, mais les deux possibilités ne s’excluent pas mutuellement. Rien n’empêche de rechercher des sources non biologiques d’oxygène.

Cette nouvelle hypothèse repose sur des expériences de laboratoire qui simulent les conditions de pression et de température régnant dans le manteau inférieur (lower mantle sur le schéma). Celui-ci se situe entre 660 et 2 900 km de profondeur. La densité des roches atteint 5,5 à la base. Elles sont posées sur le noyau externe (outer core), dans la densité est deux fois supérieure mais qui est liquide et composé de fer à 80 %. Il faut insister sur le fait que le manteau est solide. On va parler de mouvements qui se produisent dedans, mais ils sont extrêmement lents, de l’ordre de quelques centimètres par an pour fixer les idées. Ces mouvements sont donc considérés sur de longues périodes de temps. Si l’on prend le million d’années comme unité de temps, le manteau paraît se comporter comme un fluide. À la base, au contact avec le noyau, il y a une couche d’environ 200 km d’épaisseur appelée la couche D’’. En fait, cette épaisseur est variable. Cette couche a été « explorée » grâce à la tomographie sismique, une méthode d’analyse des ondes sismiques qui traversent la Terre. Elle permet d’obtenir une image en trois dimensions de l’intérieur de notre planète, mais elle ne nous donne pas la composition de ses matériaux. On sait que cette couche D’’ comporte de vastes zones de faible vitesse des ondes sismiques transversales (large low shear velocity province, LLSVP), et à l’intérieur de celles-ci, des zones à vitesse ultra-faible (ultra-low velocity zones, ULVZ) représentées en marron.

Pourquoi les ondes sismiques sont-elles aussi ralenties ? Une explication avancée est que les roches n’y ont pas la même composition qu’ailleurs, et ceci est évidemment dû à l’interaction du manteau inférieur et du noyau. L’idée a été de voir comment l’eau réagit avec le fer à haute pression et température. Il s’est avéré que l’eau peut réagir avec l’hématite Fe₂O₃ pour donner du dioxyde de fer FeO₂, et que cette réaction libère de l’hydrogène. Elle s’écrit Fe₂O₃ + H₂O = 2FeO₂ + H₂. L’hématite est une forme oxydée du fer. Dans FeO₂, le degré d’oxydation est supérieur. Ce minéral est stable à partir de 76 GPa (gigapascals) et 1 800 K (environ 1 530 °C). Il possède une structure cubique comme la pyrite FeS₂ dont les cristaux cubiques sont bien connus des collectionneurs de minéraux. Le dioxyde de fer peut être considéré comme une réserve d’oxygène dans le manteau inférieur. S’il est déstabilisé, il se décompose en émettant de l’oxygène selon la réaction 4FeO₂ = 2 Fe₂O₃ + O₂.

Les expériences ont été poursuivies avec des pressions et des températures supérieures, la pression régnant à la limite noyau-manteau étant d’environ 140 GPa (soit 1 370 tonnes par centimètre carré !). Les résultats montrent qu’il devrait exister un minéral noté FeO₂Hₓ où x est un nombre compris entre 0 et 1, de structure cubique comme le dioxyde de fer, appelé la phase-Py. Sa densité serait comprise entre 7 et 7,6. C’est plus que celle des roches du manteau inférieur mais moins que celle du noyau externe. Il est possible de produire ce minéral par réaction du fer, et non plus d’un oxyde de fer, avec de l’eau : 4Fe + 2H₂O = FeO₂Hₓ + 3FeH + (1-x)H. Le dioxyde de fer est de la phase-Py avec x = 0. Pour simplifier, je ne parlerai dans la suite que du dioxyde de fer.

Dans les zones de subduction, les plaques océaniques (subducting slabs sur le schéma) s’enfoncent dans le manteau en perdant environ 70 % de leur eau. On suppose qu’elles descendent jusqu’au noyau externe. Comme elles ne peuvent pas rentrer dedans, leur « naufrage » s’arrête là . L’eau qui leur reste réagirait avec le fer pour former du dioxyde de fer, avec libération d’hydrogène. Celui-ci remonterait à travers tout le manteau, puis la croûte et s’échapperait dans l’espace. On estime que chaque année, 300 millions de tonnes d’eau sont acheminées vers le noyau. À cause de sa densité, le dioxyde de fer resterait coincé entre le manteau et le noyau. Il s’accumulerait dans la zone D’’ et serait un composant des zones à faible vitesse et le composant majoritaire des zones à vitesse ultra-faible. Ces accumulations pourraient se déplacer sur le noyau, un peu comme du bois flottant sur de l’eau. Si elles sont volumineuses, elles pourraient s’enfoncer un peu dans le noyau, comme le schéma le représente. Il y aurait des concentrations de dioxyde de fer disséminées dans le manteau inférieur profond, à partir de 1 800 km, indiquées par des taches marron. Si tout le dioxyde de fer formé depuis la naissance de la Terre était uniformément réparti sur le noyau, cela donnerait une couche de quatre kilomètres d’épaisseur.

Imaginons maintenant qu’une perturbation se produise : la limite noyau-manteau subit une élévation de température de plusieurs centaines de degrés. Cela entraînerait la déstabilisation du dioxyde de fer, qui se décomposerait en hématite et en oxygène. Celui-ci pourrait être libéré tel quel ou former des composés volatils tels que CO, CO₂, H₂O, SO₂, etc. La diffusion de ces composés dans les roches du manteau les rendrait relativement « fluides » et les ferait monter assez rapidement vers la surface de la Terre. Il se formerait ce qu’on appelle un panache. Il en existe en ce moment même, par exemple sous Hawaii, la Réunion ou l’Islande. Près de la surface, des roches venues des profondeurs du manteau subissent une fusion partielle et un important volcanisme se produit. Mais le volcanisme provoqué par la déstabilisation du dioxyde fer rejetterait de l’oxygène dans l’atmosphère, ce qui n’est observé dans aucun type de volcanisme actuel. De plus, le phénomène serait assez violent. On peut lui imputer la fragmentation d’un supercontinent qui aurait existé il y a 2,5 milliards d’années : le Kenorland.

On peut même supposer que cet événement s’est produit plusieurs fois, car le taux d’oxygène a augmenté à plusieurs reprises dans l’atmosphère terrestre, notamment avant les glaciations globales du Cryogénien (de 720 à 635 Ma). La déstabilisation du dioxyde de fer reste néanmoins une hypothèse. Même elle ne s’est jamais produite, on peut retenir l’idée que les zones à faible vitesse de la couche D’’ comprennent du dioxyde de fer. C’est un grand pas dans la connaissance de la structure de la Terre.


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Mao Ho-Kwang et al., When water meets iron in Earth’s core-mantle boundary, National Science Review, Volume 4, Issue 6, 870-878, 1 November 2017.

https://academic.oup.com/nsr/article/4/6/870/4107791

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