Un diamant ultra-profond révèle un mécanisme de transport d’eau vers le manteau inférieur

Une poche minérale microscopique, piégée dans un diamant de seulement trois millimètres de long, fournit la première preuve directe que la géothite — minéral brun courant dans les sols et sur les fonds océaniques — peut résister aux conditions extrêmes du manteau inférieur et y transporter de l’eau depuis la surface terrestre.

La géothite se forme lorsque des minéraux riches en fer interagissent avec l’eau, intégrant des molécules d’eau dans sa structure cristalline. Cette capacité suggère qu’elle pourrait plonger vers les profondeurs tout en conservant son eau, puis la libérer bien au-delà de la croûte et du manteau supérieur.

Des études antérieures avaient déjà montré que l’eau de la croûte pouvait atteindre le manteau supérieur, situé jusqu’à environ 660 kilomètres de profondeur. La croûte, couche rocheuse externe, mesure entre 20 et 80 kilomètres d’épaisseur sous les continents et de 5 à 10 kilomètres sous les océans. Au-delà s’étend le manteau inférieur, où la même composition chimique donne naissance à des structures cristallines différentes sous l’effet de pressions et de températures accrues, jusqu’à environ 2 900 kilomètres de profondeur.

Ces résultats ont été publiés en mai dans la revue *Scientific Reports*. Les analyses ont été menées au Sirius, accélérateur de particules exploité par le Laboratoire brésilien de lumière synchrotron (LNLS), rattaché au Centre brésilien de recherche en énergie et matériaux (CNPEM) à Campinas, dans l’État de São Paulo.

Le projet est né de la thèse de master de la géologue Carolina Camarda, encadrée par le géologue Tiago Jalowitzki, de l’Université de Brasília (UnB), et le physicien Hélio Tolentino, du LNLS. Le financement provient de la Coordination pour l’amélioration du personnel universitaire (CAPES), agence liée au ministère brésilien de l’Éducation.

Camarda a collaboré avec Fernanda Gervasoni, géologue à l’Université fédérale de Pelotas (UFPel), dans l’État du Rio Grande do Sul. Gervasoni effectue actuellement un postdoctorat au LNLS sous la supervision de Tolentino, financé par la Fondation de soutien à la recherche de l’État de São Paulo (FAPESP).

Une visite réalisée en juillet 2018 auprès d’une coopérative de chercheurs d’or dans la région de Chapadão, près de Juína dans l’État du Mato Grosso, a permis d’obtenir en don des diamants ultra-profonds. Ces pierres ne se forment que dans quelques endroits au monde, à plus de 300 kilomètres de profondeur — bien plus loin que la majorité des diamants, qui apparaissent vers 150 kilomètres. Tous deux remontent ensuite à la surface via des magmas associés à des éruptions volcaniques.

Beaucoup de ces diamants ultra-profonds n’ont pas de valeur marchande en joaillerie : leur forme irrégulière et leurs inclusions sombres, piégées pendant la croissance cristalline, les rendent peu attrayants. Or ces inclusions minérales sont précisément ce qui intéresse les géologues. Protégées par le diamant contre toute altération ultérieure, elles conservent des traces fidèles des conditions physico-chimiques régnant dans les profondeurs terrestres il y a des centaines de millions d’années. Elles constituent ainsi des archives naturelles d’environnements inaccessibles aux prélèvements directs.

Les diamants ultra-profonds ont été identifiés pour la première fois près de Juína à la fin des années 1980 et ont alimenté de nombreuses découvertes sur l’intérieur de la Terre. Jusqu’alors, ces travaux étaient conduits principalement par des scientifiques étrangers.

« Notre étude est la première entièrement menée par une équipe brésilienne, à l’aide d’instruments brésiliens », souligne Gervasoni.

C’est aussi la première étude mondiale à analyser un diamant ultra-profond du début à la fin par des méthodes utilisant la lumière synchrotron. Les chercheurs ont sélectionné au hasard un diamant provenant de Juína et l’ont examiné sur les lignes de faisceau Mogno et Carnaúba du Sirius, alors que les nouveaux équipements du LNLS étaient encore en phase de mise en service. Ces lignes de faisceau ont été inaugurées officiellement respectivement en 2023 et 2021.

À la ligne de faisceau Mogno, une microtomographie aux rayons X haute résolution a permis de cartographier en trois dimensions environ 100 inclusions minérales à l’intérieur du diamant. Ensuite, à la ligne de faisceau Carnaúba, une spectroscopie aux rayons X a déterminé la composition élémentaire de ces inclusions.

L’une d’elles s’est distinguée car elle semblait contenir de l’hydroxyde de fer — un matériau rarement attendu dans le manteau profond, où les minéraux hydratés sont exceptionnels et où la plupart des roches ne favorisent pas les réactions d’oxydation.

« Lorsque les chercheurs détectent des hydroxydes de fer, ils rejettent souvent l’inclusion, supposant qu’une microfissure invisible dans le diamant aurait permis une oxydation par contact avec l’air », explique Camarda, doctorante au laboratoire européen XFEL en Allemagne. « Or la tomographie a prouvé que cette inclusion était totalement isolée de l’extérieur. Nous avons donc décidé de l’étudier en profondeur. »

Les chercheurs se sont ensuite déplacés sur la ligne de faisceau Ema du Sirius afin d’identifier tous les minéraux présents dans cette poche scellée. La diffraction des rayons X a révélé la présence de géothite (FeOOH), un oxyhydroxyde de fer, ainsi que de l’hématite (Fe₂O₃) et de la magnétite (Fe₃O₄), deux oxydes de fer.

Ces trois minéraux sont courants dans les sols et sur les fonds océaniques. Mais leur coexistence à l’intérieur d’une inclusion microscopique parfaitement scellée ne peut être expliquée par les conditions de température et de pression à la surface terrestre.

Jusqu’à récemment, la communauté scientifique considérait généralement que la géothite ne pouvait survivre à la subduction — processus au cours duquel une plaque tectonique plonge sous une autre en direction du manteau. Ce phénomène est actif le long de la côte ouest de l’Amérique du Sud, où la croûte océanique pacifique s’enfonce sous le continent sud-américain, générant l’activité volcanique et tectonique responsable de la formation et de la restructuration continue des Andes.

Dans le cadre du modèle classique, des températures supérieures à 200 °C, rencontrées très tôt dans la descente, transformeraient rapidement la géothite en hématite et en eau. Cette réaction semblait exclure la géothite comme vecteur capable d’atteindre le manteau profond.

Camarda et ses collègues ont toutefois remarqué que le motif de diffraction mesuré au Sirius ressemblait étroitement à celui obtenu lors d’une expérience de compression choc menée en 2021 à l’Université du Sichuan, en Chine. Cette expérience indiquait que la géothite pouvait supporter des pressions comprises entre 35 et 57 gigapascals (GPa) — soit environ 500 fois la pression à la plus grande profondeur océanique — et des températures allant de 877 à 1 827 °C. Des conditions comparables règnent dans le manteau inférieur, entre environ 900 et 1 250 kilomètres de profondeur.

Certains chercheurs restent prudents, car la compression choc ne reproduit pas parfaitement les conditions du manteau supérieur ou inférieur. Une étude distincte menée en 2021 par l’Université de Bayreuth, en Allemagne, a toutefois montré que la géothite survivait également à des températures et pressions similaires dans des cellules à enclume de diamant, dispositif plus proche des conditions réelles du manteau.

D’autres expériences avec cellules à enclume de diamant ont examiné la stabilité du minéral, mais concluaient qu’il perdait son eau à des profondeurs moindres. Les données disponibles pointent donc vers un chemin plus complexe, dépendant probablement des variations locales de température et du contexte géologique.

Camarda et ses collègues proposent que la géothite puisse survivre à la subduction lorsqu’elle est protégée à l’intérieur de fractures profondes présentes dans des plaques océaniques relativement froides. Ces voies abritées pourraient lui permettre de descendre au-delà de 400 kilomètres avant de commencer à se transformer en hématite et eau, ou en magnétite, oxygène et eau.

Ces transformations pourraient se poursuivre dans le manteau inférieur, offrant ainsi une voie possible pour que l’eau de surface atteigne des régions de la Terre préalablement jugées incapables d’en stocker en quantité significative.

Le diamant entourant ces minéraux aurait pu cristalliser à partir de carbone présent soit dans les roches mantelliques, soit dans la plaque océanique en plongée. Le carbone est relativement rare dans le manteau, composé principalement de minéraux riches en magnésium, fer et silicium.

Une autre inclusion présente dans le même diamant contenait de la ferropériclase ((Mg, Fe)O), un minéral abondant dans le manteau inférieur. Sa présence constitue une preuve supplémentaire que le diamant s’est formé à très grande profondeur.

« La libération d’eau abaisse le point de fusion de ces roches, pouvant générer de faibles quantités de magma qui remontent lentement vers la surface », explique Gervasoni. « Certaines théories suggèrent que les roches volcaniques ramenant les diamants ultra-profonds à la surface se forment près de la zone de transition entre le manteau supérieur et le manteau inférieur, autour de 400 kilomètres de profondeur. »

Une découverte antérieure issue de Juína avait déjà mis en lumière une autre étape du cycle profond de l’eau terrestre. En 2014, une équipe internationale avait rapporté dans la revue *Nature* qu’un diamant de Juína contenait de la ringwoodite (Mg₂SiO₄), un minéral commun dans la zone de transition, capable de retenir de l’eau.

Les données actuelles indiquent que le manteau supérieur pourrait contenir des quantités substantielles d’eau transportée depuis la surface. Le manteau inférieur reste plus difficile à expliquer, car la plupart de ses minéraux ont une très faible capacité de stockage d’eau. La géothite préservée dans ce diamant offre désormais un mécanisme plausible pour acheminer cette eau plus profondément.