La Terre, riche en eau depuis toujours ?

Notre planète possédait-elle son eau dès le début ? © Nasa
Une étude récente contredit le scénario selon lequel l’eau de la Terre a été apportée par les comètes ou les astéroïdes. Ces travaux du CRPG de Nancy indiquent qu’au contraire, l’eau était présente dès le début de la formation de notre planète.
Laurette Piani, du CRPG.
Laurette Piani, du CRPG.

Les astéroïdes ou les comètes ? Oui, mais les comètes de la Ceinture de Kuiper ou celles du Nuage d’Oort ? Ou alors peut-être les astéroïdes glacés ? Voici des décennies que les astronomes mènent l’enquête pour déterminer à quelle population de petits astres la Terre doit toute son eau. Car jusqu’à présent, l’affaire était entendue : là où notre planète s’est formée, près du Soleil, il faisait bien trop chaud pour que l’eau se change en glace et puisse ainsi s’agglomérer aux planétésimaux à partir desquels la Terre s’est constituée.

Cette eau, pensait-on, a donc probablement été apportée a posteriori, des centaines de millions d’années après la formation du Système solaire, quand des milliards de petits corps glacés naviguant au-delà de Jupiter ont été catapultés vers les planètes telluriques.

Dans une étude parue dans Science le 28 août 2020, Laurette Piani et son équipe du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CNRS/université de Lorraine) remettent en question ce scénario bien établi. Leur travail montre en effet que la Terre aurait finalement toujours été riche en eau.

Des météorites ultraprimitives

Pour parvenir à cette conclusion, ces chercheurs ont analysé une catégorie de météorites bien particulière : les chondrites à enstatite. « Assez rares (elles ne représentent que 2 % de toutes les météorites connues), elles sont considérées comme les vestiges des briques élémentaires qui ont formé la Terre. Elles ont en effet une composition isotopique (c’est-à-dire une signature chimique) très proche de celle des roches terrestres, explique Laurette Piani. On a toujours pensé que, contrairement aux météorites carbonées, connues pour contenir beaucoup d’eau, elles étaient sèches. Nous avons eu l’idée de les analyser tout de même, à la recherche de matériaux volatils, comme l’hydrogène, qui permet d’estimer la quantité d’eau (H2O, composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène). »

En les observant grâce à un spectrographe de masse et une sonde ionique, deux instruments de pointe capables d’analyser finement la composition des roches, l’équipe nancéienne a découvert que ces météorites contiennent bien plus d’hydrogène qu’on ne le soupçonnait. « Les quantités trouvées nous permettent de conclure que les roches primitives de la Terre contenaient probablement l’équivalent en eau de 3 à 20 fois le volume de nos océans, révèle la chercheuse. L’hydrogène décelé dans ces météorites a par ailleurs la même signature chimique que l’eau stockée dans le manteau terrestre, là où réside probablement 10 fois plus d’eau que dans nos océans. »

Météorite de Saint-Sauveur, une chondrite à enstatite © D. Descouens/Muséum de Toulouse
Météorite de Saint-Sauveur, une chondrite à enstatite. C'est ce type de météorite primitive que l’équipe de Laurette Piani a étudié. © D. Descouens/Muséum de Toulouse

Mais comment être sûr que cet hydrogène, bien plus abondant que prévu, se soit bel et bien couplé à l’oxygène pour former de l’eau ? Après tout, au tout début de son histoire, la Terre était bien plus pauvre en oxygène qu’elle ne l’est actuellement. « C’est vrai, l’oxygène n’est devenu abondant qu’il y a 2,5 milliards d’années, répond Fabrice Gaillard, de l’Institut des Sciences de la Terre d’Orléans. Mais aux stades très précoces, il y avait tout de même suffisamment d’oxygène pour qu’au moins la moitié de l’hydrogène présent se transforme en eau. D’ailleurs, je mettrais ma main à couper que si on pouvait le déceler grâce à des instruments encore plus précis, on serait capables de voir l’oxygène couplé à l’hydrogène [donc la molécule d’eau] dans les météorites à enstatites étudiées par l’équipe de Nancy. »

Le bombardement tardif par les comètes remis en cause

Tout, dans le travail de Laurette Piani et ses collègues, suggère donc que la Terre a gagné son eau dès le début de sa formation, et non a posteriori. D’autant qu’un autre épisode de l’histoire de la Terre, qui collait parfaitement au scénario de l’apport tardif d’eau, est en train de s’effondrer. En effet, de plus en plus de chercheurs remettent en question le modèle du bombardement tardif, ce cataclysme qui, il y a 3,8 milliards d’années, aurait catapulté des myriades de petits corps glacés vers l’intérieur du Système solaire et apporté ainsi aux planètes telluriques de l’eau et les briques élémentaires de la vie.

Dépassé, le scénario de l’eau arrivée à dos de comètes, bien après la formation de la Terre ? Ce n’est pas si simple. « Nous n’excluons pas un apport externe, car la signature isotopique de notre hydrogène, si elle est semblable à celle de l’eau du manteau, est légèrement différente de celle de nos océans de surface, précise Laurette Piani. Ce qui nous fait dire que 95 % de l’eau est “d’origine” et tandis que 5 % auraient été apportées plus tardivement. »

Restent encore quelques problèmes à résoudre : comment l’hydrogène, le plus volatil de tous les éléments chimiques, a-t-il été emprisonné dans la roche, non loin du jeune et brûlant Soleil ? Difficile en effet d’imaginer du gaz s’agglomérer à des paillettes de roches… « On ne sait pas comment de l’hydrogène ou de l’eau a pu être piégé à haute température, admet la chercheuse. C’est l’objet de nos études actuelles. » "Nos expériences suggèrent qu'il faut une pression énorme, équivalent à celle qui règne à 1000km de profondeur dans le manteau terrestre, pour que l'hydrogène puisse être ainsi incrusté dans les minéraux, ajoute Fabrice Gaillard. Or, ces météorites n'ont jamais été incorporés aux planètes, ce sont des cailloux qui flottent dans l'espace depuis toujours. Le mécanisme nous échappe."

Comment l’eau s’est-elle échappée du manteau ?

Autre difficulté : comment toute cette eau, emmagasinée lors de la formation de la Terre par accrétion de planétésimaux, s’est-elle retrouvée dans les océans ? « On peine à reproduire ce phénomène avec nos modèles, admet Fabrice Gaillard. Peu après la formation de la Terre, la pression à la surface était de 100 fois supérieure à celle actuelle et l’atmosphère était essentiellement composée de gaz carbonique (CO2). Sous une telle pression, l’eau contenue dans le manteau ne sort pas, même via le volcanisme. Pour qu’elle s’en échappe, il faut que la pression redescende. Et pour cela, il faut… de l’eau ! En effet, en présence d’eau, le cycle du carbone s’enclenche : une partie du CO2 réagit avec l’eau et se transforme en carbonates qui se déposent au fond des océans. On ne peut donc pas tout à fait exclure le scénario de l’arrivée tardive de l’eau. »

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