Une récente expérience menée par une équipe chino-suisse suggère que le noyau terrestre pourrait contenir jusqu’à l’équivalent en volume de 45 océans. Si l’on soupçonnait depuis longtemps que le noyau pouvait contenir des éléments légers tels que l’hydrogène, ces éléments n’ont jusqu’ici pas été quantifiés avec précision. Ces résultats remettent en question l’hypothèse largement acceptée selon laquelle l’eau terrestre proviendrait principalement des comètes.
Il est largement admis que le noyau terrestre est principalement composé de fer, mais sa densité n’est pas suffisamment élevée pour qu’il soit constitué de fer pur. Il contiendrait donc d’autres éléments plus légers, tels que l’hydrogène. Bien que 71 % de la surface terrestre soient recouverts d’océans, composés d’eau dont la molécule contient de l’hydrogène, des études suggèrent que la majeure partie de l’hydrogène terrestre serait stockée dans le noyau depuis la formation de la planète, il y a environ 4,5 milliards d’années.
Estimer la quantité exacte d’hydrogène présente dans le noyau demeure toutefois un défi, en raison des conditions extrêmes qui y règnent et de son inaccessibilité. Les évaluations antérieures reposaient principalement sur des méthodes indirectes, consistant par exemple à déduire la teneur en hydrogène à partir du taux de dilatation des réseaux cristallins des hydrures de fer. Ces estimations comportaient d’importantes incertitudes, pouvant atteindre jusqu’à quatre ordres de grandeur.
Des chercheurs de l’Université de Pékin et de l’École polytechnique fédérale de Zurich proposent une nouvelle évaluation en utilisant des cellules à enclumes de diamant chauffées au laser afin de reproduire les conditions du noyau terrestre.
« Nous réalisons ici des expériences de partitionnement métal-silicate en superliquide avec l’hydrogène à l’aide de cellules à enclumes de diamant chauffées au laser, et les combinons à la tomographie par sonde atomique », expliquent les auteurs dans leur étude publiée cette semaine dans la revue Nature Communications.
Noyau : le plus grand réservoir d’hydrogène terrestre ?
Des expériences antérieures ont eu recours à la diffraction des rayons X pour estimer la quantité d’hydrogène dans le noyau terrestre. Cette méthode consiste à quantifier la proportion des éléments composant les matériaux en analysant leur diffusion, afin d’évaluer la quantité d’hydrogène piégée dans les réseaux cristallins du fer.
Cette approche présente toutefois une limite majeure : elle repose sur l’hypothèse que la structure précise des réseaux cristallins du fer, ainsi que leur comportement dans les conditions du noyau, sont parfaitement connus — ce qui n’est pas le cas. Elle suppose également que le silicium et l’oxygène, tous deux présents dans le noyau, ne déforment pas la structure cristalline lorsqu’ils s’y incorporent.
L’équipe de la nouvelle étude a cherché à simuler des conditions de pression pouvant atteindre 111 gigapascals et des températures allant jusqu’à 6 000 °C, en chauffant au laser des cellules à enclumes de diamant. Des échantillons de fer analogues à ceux du noyau terrestre et du verre silicaté hydraté — censé représenter les premiers océans de magma de la Terre primitive — ont été placés dans ces cellules afin de provoquer une fusion comparable à celle qui aurait accompagné la différenciation interne de la planète.
Une tomographie par sonde atomique (APT) a ensuite permis d’établir une cartographie tridimensionnelle de la composition, à résolution nanométrique. Les chercheurs ont ainsi pu mesurer les quantités de silicium, d’oxygène et d’hydrogène présentes dans les échantillons, ainsi que dans les nanostructures riches en Si-OH (ou sinalol) formées au cours de l’expérience.
Les chercheurs ont constaté que le rapport molaire silicium/hydrogène dans ces structures était proche de 1:1. Ils en déduisent que le noyau terrestre contiendrait environ 0,07 à 0,36 % en masse d’hydrogène, ce qui correspondrait au volume de 9 à 45 océans terrestres. Une estimation qui renforcerait l’hypothèse selon laquelle le noyau constituerait le plus vaste réservoir d’hydrogène de la planète.
Analyse APT d’un autre métal récupéré à la surface de la nanostructure riche en Si-OH. © Huang et al.L’eau terrestre d’origine interne ?
Selon l’équipe, ces résultats suggèrent que la majeure partie de l’eau terrestre pourrait s’être formée lors de l’accrétion précoce — l’accumulation de poussières, de gaz et de corps rocheux à l’origine de la planète — notamment par l’interaction entre l’hydrogène et l’oxygène. Une hypothèse qui contredit celle d’un apport tardif d’hydrogène (et donc d’eau) par des comètes venues percuter la surface terrestre.
En effet, si l’hydrogène est principalement d’origine extraterrestre, il pourrait se trouver davantage concentré dans les couches superficielles de la Terre. La mise en évidence d’un important réservoir d’hydrogène au cœur du noyau suggère au contraire une origine plus interne.
« L’hypothèse selon laquelle l’hydrogène présent sur Terre, y compris dans le noyau, a été apporté lors de la formation de la planète est bien établie », a déclaré Dongyang Huang, professeur adjoint à l’École des sciences de la Terre et de l’espace de l’Université de Pékin et auteur principal de l’étude, à Live Science. « Ce qui divise la communauté scientifique, c’est la question de savoir à quel moment cet hydrogène a été apporté au cours de la formation de la Terre », précise-t-il.
Les auteurs soulignent néanmoins plusieurs limites. La présence d’hydrogène résiduel dans la chambre APT pourrait, par exemple, avoir artificiellement accru les quantités mesurées. Des incertitudes persistent également quant à la teneur exacte en silicium du noyau, et la fracturation des échantillons a pu entraîner des biais dans la collecte des données APT.