L'eau plonge profondément dans une plaque tectonique océanique

Les zones de subduction dans lesquelles les plaques tectoniques situées sous la mer s'enfoncent dans les profondeurs de la Terre agissent comme des bandes transporteuses gigantesques, transportant de l'eau, des fluides et des composés volatils vers notre planète. L’eau à l’intérieur de la Terre est rejetée dans les océans et l’atmosphère par les volcans. Ces entrées et sorties constituent un cycle global de l'eau de la Terre profonde, mais il a été difficile de quantifier l'apport total d'eau des plaques océaniques. Écrire dans La nature, Cai et al.¹ rapportent que la plaque du Pacifique, qui se situe dans la fosse des Mariannes, contient beaucoup plus d’eau qu’on ne le pensait auparavant – une découverte qui a des conséquences importantes sur le bilan hydrique de la Terre.

L’eau est aussi importante pour le fonctionnement de l’intérieur de la Terre que pour ses processus de surface: elle déclenche notamment la génération de magma sous les volcans, lubrifie les zones de faille profondes et modifie fondamentalement la force et le comportement du manteau de la Terre. L'eau de mer s'infiltre dans la lithosphère océanique par des fractures et des pores et réagit avec les minéraux de la croûte et du manteau pour former des minéraux hydratés (tels que les serpentins) qui stockent l'eau dans leurs structures cristallines.

L’infiltration d’eau se produit à quelques étapes clés du cycle de vie d’une plaque océanique. Le premier se situe au niveau des dorsales océaniques, lorsque l'eau circule à travers des plaques océaniques chaudes et nouvellement formées². Mais dans les arêtes à propagation rapide (qui constituent le «régime alimentaire» principal des zones de subduction qui bordent l’océan Pacifique), la circulation et l’hydratation se limitent principalement à la croûte supérieure de la plaque. L’accumulation de sédiments isole ensuite la majeure partie de la plaque océanique de l’océan, mais les monts sous-marins (montagnes sous-marines) et les zones de fracture fournissent des voies d’entrée et de sortie d’eau supplémentaires, de sorte que la circulation se poursuive à l’écart de la dorsale océanique.³. L’infiltration finale a lieu à la «montée extérieure» d’une zone de subduction, où la plaque océanique s’incline avant de pénétrer dans la tranchée. Ici, des défauts d'extension se forment en réponse à la flexion et sont supposés permettre une hydratation profonde et pénétrante de la croûte et du manteau supérieur.^4–6.

Les preuves de la pénétration d’eau dans les zones de subduction sont claires, mais plusieurs lacunes dans les connaissances ont empêché de tenter de quantifier le volume total d’eau passant par ces trappes, même au niveau des zones de subduction. Une inconnue est la profondeur à laquelle l'eau pénètre dans la plaque océanique. La plupart des contraintes sur les estimations proviennent de données sismiques de sources contrôlées, qui sont produites en mesurant les ondes sismiques générées par des sources artificielles à l'aide de réseaux denses d'instruments d'enregistrement. Ces données fournissent d’excellentes contraintes sur l’hydratation de la croûte et du manteau peu profond, mais, à une exception notable près⁷, ne contraignez pas la profondeur totale de l'hydratation. Il est clairement impossible de calculer le volume total d’eau sous-drainée sans connaître toute la profondeur d’hydratation.

Un autre défi important consiste à démêler tous les facteurs qui modifient la vitesse à laquelle les ondes sismiques traversent différentes parties de la plaque; La mesure de telles ondes sismiques est l’un des principaux moyens d’estimer la quantité d’eau dans la plaque océanique en subduction. La plupart des estimations supposent que toute réduction de la vitesse de la vague résulte du remplacement de l'olivine (le principal minéral présent dans le manteau) par la serpentine. Cependant, dans la croûte et le manteau peu profond, les fissures remplies d’eau peuvent également contribuer à la réduction de la vitesse.⁸. Pour compliquer davantage les choses, les vitesses des ondes sismiques dans le manteau océanique supérieur sont anisotropes – elles dépendent de la direction de propagation. En effet, les cristaux d'olivine s'alignent dans la direction dans laquelle le fond marin se propage lorsque de nouvelles plaques océaniques sont créées au niveau des dorsales océaniques. Une anisotropie supplémentaire peut résulter de fractures formées lors de la montée externe.

Cai et al. Abordez tous ces problèmes en présentant des contraintes sur l'hydratation de la plaque du Pacifique vieille d'environ 150 millions d'années lorsqu'elle se dédoublera dans la fosse des Mariannes. Les auteurs ont analysé les ondes sismiques provenant de séismes lointains, enregistrées par une série de sismomètres situés au fond de la mer. Cela leur a permis de modéliser la vitesse des ondes sismiques à des profondeurs beaucoup plus grandes (même à une résolution plus faible) que ce qui est possible avec les données sismiques à source contrôlée.

Les chercheurs ont découvert que, de manière impressionnante, la profondeur totale d'hydratation de la lithosphère s'étend sur environ 30 kilomètres sous le plancher océanique (figure 1). Ils ont également pu examiner les réductions de vitesse dans les régions profondes où la pression serait suffisamment élevée pour fermer toutes les fissures, leur permettant ainsi d'éliminer la contribution possible de telles fissures aux vitesses dans ces régions. Enfin, les auteurs ayant enregistré les ondes voyageant dans toutes les directions de leur réseau, ils ont été en mesure de rendre compte de la contribution de l'anisotropie à la vitesse des ondes.

Cai et al. rapportent que plus de quatre fois plus d'eau entre dans la zone de subduction de Mariana que ce qui avait été estimé précédemment⁹. Les vieilles plaques de subduction froide telles que celle qui pénètre dans la fosse des Mariannes sont des transporteurs d’eau particulièrement efficaces dans la Terre profonde, car les minéraux hydratés contenus dans ces plaques sont stables à des profondeurs supérieures à celles des plaques plus jeunes et plus chaudes. Si les résultats des auteurs sont extrapolés globalement à d’autres endroits où de vieilles plaques froides s’installent, le résultat des auteurs laisse à penser que la quantité d’eau pénétrant à l’intérieur de la Terre dépasse largement les estimations actuelles.^dix de la quantité émise par les volcans, et nécessite donc de repenser le bilan hydrique global.

Plusieurs questions doivent encore être résolues pour mieux contraindre les estimations des entrées dans le cycle de l’eau profonde de la Terre et évaluer les implications des nouveaux résultats. Premièrement, dans quelle mesure la teneur en eau de la plaque océanique varie-t-elle à différentes profondeurs et à différentes échelles le long des zones de subduction? De nombreuses études ont rapporté des changements dans les failles d'extension et dans l'hydratation de la croûte et du manteau supérieur le long des zones de subduction, et plusieurs facteurs concurrents ont été proposés pour contribuer à ces changements.^7,11,12. La caractérisation de cette variabilité dans la partie hydratée de la plaque et la compréhension de ses causes seront essentielles pour comptabiliser les entrées d’eau et les comparer aux sorties. Il serait également utile de déterminer si l'hydratation se produit dans les zones focalisées près des failles, comme cela a été observé dans un contexte tectonique différent.¹³, ou est distribué plus uniformément, car cela pourrait contrôler si l'eau liée aux minéraux est libérée par déshydratation ou est transportée à de plus grandes profondeurs¹⁴.

Enfin, puisqu’un volume important d’eau est probablement emmagasiné dans la croûte et le manteau supérieur (les régions les plus accessibles à l’infiltration d’eau de mer), l’épineuse question de savoir si l’évolution des ondes sismiques reflète la présence de fissures remplies d’eau ou de minéraux hydratés doit encore être directement abordée dans ces domaines. Une compréhension globale des apports à l’intérieur de la Terre nécessitera une approche multiple, comprenant des études géophysiques marines à plusieurs échelles, le forage des failles considérées comme des conduits d’eau dans la lithosphère océanique, ainsi que des études numériques et de laboratoire. Mais pour l’instant, les résultats de Cai et de ses collègues nous ont beaucoup rapproché pour comprendre l’apport total d’eau dans les zones de subduction.