Les scientifiques estiment que le manteau terrestre contient autant d'eau que tous les océans de la planète, mais comprendre comment cette eau se comporte est difficile. L'eau dans le manteau existe sous haute pression et à des températures élevées, conditions extrêmes difficiles à recréer en laboratoire.

Cela signifie que bon nombre de ses propriétés physiques et chimiques, pertinentes pour comprendre la production de magma et le cycle du carbone de la Terre, ne sont pas entièrement comprises. Si les scientifiques pouvaient mieux comprendre ces conditions, cela les aiderait à mieux comprendre les conséquences du cycle du carbone sur le changement climatique.

Une équipe dirigée par le Pr Giulia Galli et le Pr Juan de Pablo de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago et le Pr François Gygi de l'Université de Californie, Davis a créé des simulations informatiques complexes pour mieux comprendre les propriétés du sel dans l'eau dans les conditions du manteau.

En couplant des techniques de simulation développées par les trois groupes de recherche et en utilisant des codes sophistiqués, l'équipe a créé un modèle d'eau salée basé sur des calculs de mécanique quantique. En utilisant le modèle, les chercheurs ont découvert des changements moléculaires clés par rapport aux conditions ambiantes qui pourraient avoir des implications dans la compréhension de la chimie intéressante qui se trouve profondément sous la surface de la Terre.

"Nos simulations représentent la première étude de l'énergie libre des sels dans l'eau sous pression, " a déclaré Galli. " Cela jette les bases pour comprendre l'influence du sel présent dans l'eau à haute pression et température, comme les conditions du manteau terrestre." Les résultats ont été publiés le 16 juin dans le journal Communication Nature .

Important dans les interactions fluide-roche

Comprendre le comportement de l'eau dans le manteau est un défi, non seulement parce qu'il est difficile de mesurer ses propriétés expérimentalement, mais parce que la chimie de l'eau et de l'eau salée diffère à de telles températures et pressions extrêmes (qui incluent des températures allant jusqu'à 1000K et des pressions allant jusqu'à 11 GPa, 100, 000 fois plus grand qu'à la surface de la Terre.)

Alors que Galli a déjà publié des recherches sur le comportement de l'eau dans de telles conditions, elle et ses collaborateurs du Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) ont maintenant étendu leurs simulations au sel dans l'eau, parvenant à prédire des propriétés beaucoup plus complexes que celles précédemment étudiées.

Les simulations, réalisée au centre de calcul de recherche d'UCicago à l'aide de codes optimisés pris en charge par MICCoM, ont montré des changements clés des interactions ion-eau et ion-ion dans des conditions extrêmes. Ces interactions ioniques affectent la surface d'énergie libre du sel dans l'eau.

Spécifiquement, les chercheurs ont découvert que la dissociation de l'eau due à une pression et à une température élevées influe sur la façon dont le sel interagit avec l'eau et, à son tour, sur la façon dont il devrait interagir avec les surfaces rocheuses à la surface de la Terre.

"C'est fondamental pour comprendre les réactions chimiques dans les conditions du manteau terrestre, " dit de Pablo.

"Nous espérons ensuite utiliser les mêmes techniques de simulation pour une variété de solutions, conditions, et autres sels, " dit Gygi.