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La diffusion d'hydrogène à l'intérieur de la Terre

Bien que la Terre soit une planète rocheuse, de nombreux procédés dynamiques en milieu aqueux prennent place sous la surface, ce qui la distingue des autres planètes terrestres. Les dernières avancées quant au rôle des fluides sur les propriétés des matériaux visent directement les séismes et les éruptions volcaniques.
La diffusion d'hydrogène à l'intérieur de la Terre
Les zones de subduction sont des régions géologiques où deux plaques tectoniques (éléments de la lithosphère terrestre) entrent en violente collision, amenant l'une d'entre elles à se glisser sous l'autre pour atteindre le manteau terrestre. En général, les mouvements de la lithosphère océanique (croûte et manteau supérieur des océans) favorisent l'accès de l'eau dans les minéraux hydratés. Lors de la subduction, certains de ces minéraux hydratés sont partiellement déshydratés, générant ainsi une phase fluide.

Une partie de l'eau remonte à la surface de la Terre alors qu'une partie descend plus profondément dans le manteau suite à l'action des minéraux anhydres. Le projet HISLA-DR («Hydrogen incorporation in subducting lithosphere after dehydration reactions»), financé par l'UE, vise à explorer les mécanismes encore méconnus du transfert de l'eau vers les minéraux anhydres.

Les chercheurs ont d'abord collecté de nouvelles données sur la diffusion de l'hydrogène dans les minéraux anhydres, et notamment l'olivine. Les expériences en laboratoire exploitant la chimie bien connue du déficit hydrique ont précédé une collecte d'échantillons de roches en provenance de péridotite de métamorphisme de haute pression (par exemple, des Alpes orientales). L'analyse de la concentration en hydrogène dans les minéraux anhydres des échantillons constitue l'ensemble de données le plus complet sur la teneur en eau des péridotites naturels des zones de subduction.

Les preuves empiriques ont montré que la diffusion de l'hydrogène dans la structure d'olivine pourrait être soit la plus rapide par rapport à d'autres espèces, soit nettement plus lente. Les scientifiques ont associé ce taux aux déficits de liaison de l'hydrogène. L'hydrogène associé aux déficits les plus courants rencontrés dans l'olivine du manteau supérieur se diffuse jusqu'à 1 000 fois plus lentement que ce que l'on pensait.

Les échantillons obtenus des Alpes et les données des expériences en laboratoire montrent la conservation de l'eau pendant de longues périodes et une corrélation entre la teneur en hydrogène, la température et la pression. Toutes deux valident les faibles coefficients de diffusion d'hydrogène observés. La combinaison des résultats observés sur le terrain et en laboratoire autorise pour la première fois une évaluation quantitative de la concentration maximale en eau des minéraux anhydres dans les zones de subduction, ce qui suggère que le prisme du manteau fait office de réservoir d'eau.

Les zones de subduction sont les plus actives sur le plan géologique. Elles jouent un rôle majeur lors des séismes et des éruptions volcaniques. Le projet HISLA-DR a fourni des réponses d'intérêt majeur quant aux évènements dynamiques dans ces régions, comblant ainsi les lacunes et offrant de nouvelles perspectives en termes de prévention des risques.

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Mots-clés

Diffusion d'hydrogène, zones de subduction, lithosphère, eau, minéraux anhydres