Cycle Profond de l'Hydrogène dans la Terre – HYDEEP

Les roches et minéraux provenant du manteau indiquent que l'intérieur de la Terre reste un réservoir d’eau non négligeable. Par ailleurs, les études sismologiques les plus récentes mettent en évidence une zone à faible vitesse au dessus de la discontinuité située à 410-km de profondeur. Cette zone est interprétée comme étant due à la formation de liquide hydraté, qui se formerait lors de la transition wadsleyite/olivine lors de la remontée de matériel mantellique. En effet, la wadsleyite a une solubilité en eau plus importante que l’olivine et la présence de liquide impliquerait donc une zone de transition assez hydratée, en accord avec les interprétations des données de conductivité électrique. Si la géophysique propose bel et bien la présence d’eau dans la Terre profonde, les quantités restent toujours inconnues. Par ailleurs, le volcanisme appauvrissant le manteau en volatils, un réapprovisionnement en eau à grande profondeur via la subduction se doit d’avoir lieu.

Le projet HYDEEP est constitué de 3 problématiques scientifiques complémentaires, toutes utilisant l’expérimentation à haute pression : (1) La détermination de la courbe de solubilité maximum de l’hydrogène dans les phases minérales nominalement anhydres du manteau ; (2) La teneur en eau qui peut être recyclée via la subduction par ces mêmes phases, ainsi que la nature et cinétique du transfert hydrique (hydro-fracturation, diffusion aux joints de grains, infiltration réactive) en fonction du régime de pression et température. Les observations expérimentales seront ici couplées à l’étude d’échantillons naturels de manteau serpentinisé ayant subi la subduction. (3) Les vitesses d’infiltration de liquides hydratés formés par la transformation de phase wadsleyite-hydratée en olivine-moins hydratée, juste au dessus de 410-km de profondeur. Ces différentes approches expérimentales seront coordonnées et réalisées par N. Bolfan-Casanova avec la presse multi-enclumes (outil national INSU) au Laboratoire Magmas & Volcans (LMV, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand).

L’originalité du projet HYDEEP réside dans les verrous technologiques à lever. Nous proposons ici d’étudier la péridotite dans son ensemble minéralogique, intégrant ainsi les complexités texturales et chimiques du manteau. Nous étudierons particulièrement l’effet de la fugacité d’oxygène sur le système. La difficulté réside ici dans l’obtention d’une taille de grain suffisante pour les analyses infrarouge. Les expériences d’infiltration à hautes pressions seront les premières réalisées en Europe. Une autre innovation du projet HYDEEP est l’étude de la diffusion de l’eau aux joints de grains, sujet peu étudié en Géosciences au niveau international.

N. Bolfan-Casanova est le porteur du projet HYDEEP et sera assistée par des spécialistes en matière de diffusion ionique (S. Demouchy, Géosciences Montpellier), en spectroscopie XANES (M. Munoz, LGCA), infiltration de liquides (T. Hammouda, LMV), en métamorphisme du manteau serpentinisé (R. Debret et C. Nicollet, LMV). Les résultats nous permettront d’obtenir une vue complète et quantitative du devenir du cycle de l’eau dans le manteau. La combinaison des résultats attendus à la fin du projet HYDEEP permettra la construction de modèles géodynamiques, qui sont intégralement dépendants de données experimentales.

Une partie importante du financement demandé pour HYDEEP consiste en un contrat CDD de thèse. En effet, les expériences sur la circulation des fluides (volet (2) hydro-fracturation, diffusion aux joints de grain ou infiltration réactive) demandent une personne à plein temps. Le reste du financement demandé consiste en l’achat des consommables pour les expériences de multi-enclumes, en particulier les enclumes en carbure de tungstène, ainsi que quelques missions afin de présenter les résultats lors de congrès internationaux et de permettre à S. Demouchy de venir faire les expériences au LMV.