Le cycle de l’eau est un processus bien connu du grand public. Aussi appelé cycle hydrologique, il comprend l'évaporation, la condensation, les précipitations, le ruissellement, l'infiltration et le retour de l'eau vers l'océan. Il se joue donc entre la surface terrestre et l'atmosphère et s'étage sur des échelles de temps allant de quelques jours à plusieurs milliers d'années.

Un cycle profond de l’eau, qui lie la surface à l’intérieur de la Terre

Mais il existe un autre cycle de l'eau, beaucoup plus lent et bien plus profond, qui relie la surface de la Terre à son manteau. Une partie de l’eau des océans est en effet entraînée dans le manteau terrestre au niveau des zones de subduction, là où une plaque tectonique plonge sous une autre.

Cette eau est stockée dans les sédiments et les minéraux hydratés, puis est progressivement libérée en profondeur, dans le manteau. Cette hydratation des roches mantelliques favorise notamment la fusion partielle du manteau, ce qui alimente en magma le volcanisme d'arc. L'eau retourne ainsi en surface sous forme de vapeur d'eau et de gaz volcaniques. Contrairement au cycle superficiel, celui-ci s'étend sur des millions d'années.

Si le cycle hydrologique existe depuis que de l'eau liquide est présente sur Terre, l'origine du cycle profond est plus difficile à dater, car il est étroitement lié à la tectonique des plaques. Or, celle-ci n'a pas débuté tout de suite dans l'histoire de la Terre, du moins pas forcément de la manière actuelle.

Schéma d’une subduction : la plaque qui plonge libère de l'eau dans la partie supérieure du manteau, ce qui permet la fusion partielle des roches et la production de magma. C'est pour cela que l'on trouve généralement un arc volcanique le long des zones de subduction. © Zyzzy2 Wikipedia, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

Une Terre bien différente il y a 3 milliards d’années

« La jeune Terre était trop chaude pour que les plaques tectoniques se comportent comme aujourd'hui, explique Eric Vandenburg, chercheur à l'Université d'Adelaide. Donc, jusqu'à présent, il n'était pas clair si l'eau de surface pouvait déjà atteindre les profondeurs du manteau il y a plus de 3 milliards d'années, ni comment elle y parvenait. »

Pourtant, l'analyse géochimique de roches volcaniques âgées de 3,1 milliards d'années, prélevées dans le craton du Pilbara en Australie, montre que le magma à leur origine s'est formé en présence d'eau. Autrement dit, une quantité significative d'eau circulait déjà dans le manteau terrestre à cette époque. Reste à comprendre comment elle y est parvenue.

La signature chimique de roches volcaniques datant de 3,1 milliards d'années indique que le manteau était alors déjà hydraté. © Adelaide University

La dripduction, ancêtre de la subduction moderne

Pour les chercheurs, il ne s'agissait vraisemblablement pas de subduction telle qu'on l'entend aujourd'hui, mais d'un autre mécanisme appelé « dripduction ». Contrairement à la subduction, où une plaque tectonique entière glisse sous une autre, la dripduction (« drip » = goutte, « subduction ») fonctionnerait de manière plus ponctuelle : certaines portions de croûte, froides, denses et riches en eau, se seraient lentement affaissées dans le manteau, formant des « gouttes » géantes. En descendant, elles auraient ainsi libéré leur eau, favorisant localement la fusion partielle des roches du manteau.

On peut donc voir la dripduction comme une forme primitive de recyclage de la croûte terrestre, n'impliquant toutefois pas des plaques tectoniques rigides en mouvement continu.

Selon les auteurs de l'étude publiée dans la revue Nature communications, ce mécanisme aurait permis de mettre en place un cycle profond de l'eau il y a plus de 3 milliards d'années, bien avant que la tectonique des plaques moderne ne s'installe. Ces résultats suggèrent que les échanges entre la surface et les profondeurs de la Terre ont commencé très tôt dans l'histoire de la planète.