Enclume de diamant. Le boîtier métallique extérieur et les dents intérieures en diamant de l'enclume haute pression. Crédit :Hirose et al.
Des expériences à haute température et à haute pression impliquant une enclume en diamant et des produits chimiques pour simuler le noyau de la jeune Terre démontrent pour la première fois que l'hydrogène peut se lier fortement avec le fer dans des conditions extrêmes. Cela explique la présence d'importantes quantités d'hydrogène dans le noyau terrestre qui sont arrivées sous forme d'eau à la suite de bombardements il y a des milliards d'années.
Étant donné les profondeurs extrêmes, températures et pressions impliquées, nous ne sommes pas physiquement capables de sonder très loin dans la terre directement. Donc, afin de scruter profondément à l'intérieur de la Terre, les chercheurs utilisent des techniques impliquant des données sismiques pour déterminer des éléments tels que la composition et la densité des matériaux souterrains. Quelque chose qui s'est démarqué aussi longtemps que ce genre de mesures a eu lieu, c'est que le noyau est principalement composé de fer, mais sa densité, en particulier celui de la partie liquide, est plus faible que prévu.
Cela a conduit les chercheurs à croire qu'il devait y avoir une abondance d'éléments légers à côté du fer. Pour la première fois, les chercheurs ont examiné le comportement de l'eau dans des expériences de laboratoire impliquant du fer métallique et des composés de silicate qui simulent avec précision les réactions métal-silicate (noyau-manteau) pendant la formation de la Terre. Ils ont découvert que lorsque l'eau rencontre le fer, la majorité de l'hydrogène se dissout dans le métal tandis que l'oxygène réagit avec le fer et pénètre dans les matériaux silicatés.
« Aux températures et pressions auxquelles nous sommes habitués en surface, l'hydrogène ne se lie pas au fer, mais on s'est demandé si c'était possible dans des conditions plus extrêmes, " a déclaré Shoh Tagawa, un doctorat étudiant au Département des sciences de la Terre et des planètes de l'Université de Tokyo pendant l'étude. "De telles températures et pressions extrêmes ne sont pas faciles à reproduire, et la meilleure façon de les réaliser en laboratoire était d'utiliser une enclume en diamant. Cela peut conférer des pressions de 30 à 60 gigapascals à des températures de 3, 100-4, 600 kelvins. C'est une bonne simulation de la formation du noyau terrestre."
Laboratoire d'imagerie isotopique de l'Université d'Hokkaido. La recherche était une collaboration entre des institutions, y compris l'Université d'Hokkaido. Crédit :Hisayoshi Yurimoto
L'équipe, sous la direction du professeur Kei Hirose, métal utilisé et silicate aquifère analogue à ceux trouvés dans le noyau et le manteau de la Terre, respectivement, et les comprimer dans l'enclume de diamant tout en chauffant simultanément l'échantillon avec un laser. Pour voir ce qui se passait dans l'échantillon, ils ont utilisé une imagerie à haute résolution impliquant une technique appelée spectroscopie de masse d'ions secondaires. Cela leur a permis de confirmer leur hypothèse selon laquelle l'hydrogène se lie avec le fer, ce qui explique le manque apparent d'eau de mer. On dit que l'hydrogène aime le fer, ou sidérophile.
Échantillon de l'expérience à haute pression. Des analyses chimiques à haute résolution avec spectroscopie de masse d'ions secondaires ont montré l'abondance d'eau laissée dans le silicate fondu après compression avec du fer liquide. Crédit :Tagawa et al.
"Cette découverte nous permet d'explorer quelque chose qui nous touche de manière assez profonde, " a déclaré Hirose. " Le fait que l'hydrogène soit sidérophile sous haute pression nous indique qu'une grande partie de l'eau qui est arrivée sur Terre lors de bombardements massifs au cours de sa formation pourrait se trouver dans le noyau sous forme d'hydrogène aujourd'hui. Nous estimons qu'il pourrait y avoir jusqu'à 70 océans d'hydrogène enfermés là-bas. Si cela était resté à la surface sous forme d'eau, la Terre n'a peut-être jamais connu la terre, et la vie telle que nous la connaissons n'aurait jamais évolué."
