D'importantes quantités de dihydrogène et de méthane abiotique profonds libérées dans les zones de subduction

Les réactions de serpentinisation se produisant au niveau des fonds océaniques ou sur les terrains émergés sont connues pour générer de grandes quantités de dihydrogène, lui-même à l'origine de la production de méthane et d'autres hydrocarbures abiotiques géologiques. De ce fait, ces réactions pourraient avoir joué un rôle dans la synthèse organique pré-biotique à l'origine de la vie sur Terre. Mais qu'en est-il des réactions de serpentinisation se produisant à de plus grandes profondeurs ? Pour la première fois. une équipe franco-italienne, impliquant des chercheurs de l'Institut de minéralogie, de physique de la matière et de cosmochimie (IMPMC/Ecce Terra, CNRS / UPMC / IRD / MNHN), de l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP, IPGP / CNRS / Université Paris Diderot / Université La Réunion) et de l'Université de Turin, vient de mettre en évidence la production de grandes quantités de dihydrogène et de méthane abiotiques en conditions de haute pression dans les roches de subduction préservées des Alpes italiennes.

Le processus de serpentinisation est un des processus qui se produisent lorsque l'eau de mer s'infiltre dans les roches de la partie supérieure de la lithosphère océanique et entre en contact avec les minéraux ultrabasique qui les constituent. Ce processus peut conduire à la libération de dihydrogène (H2), lequel peut ensuite réagir avec le dioxyde de carbone dissous dans l'océan pour donner du méthane. Cette génération de dihydrogène par les réactions de serpentinisation est considérée comme un élément clé de la production de méthane et d'autres hydrocarbures abiotiques géologiques, au niveau des fonds océaniques mais aussi sur les terrains émergés de la Terre et probablement d'autres corps du système solaire. Ce processus, qui joue donc un rôle très important dans les flux de carbone échangés entre la géosphère et l'atmosphère, pourrait aussi avoir joué un rôle dans la synthèse organique pré-biotique à l'origine de la vie sur Terre.

Des réactions de serpentinisation se produisent également à de plus grandes profondeurs, dans les zones de subduction notamment, mais les liens entre ce processus et la production d'hydrocarbures abiotiques profonds étaient jusqu'à présent très incertains.
 Les scientifiques d'une équipe franco-italienne ont étudié des échantillons de roches ultrabasiques de serpentinites carbonatées provenant des Alpes italiennes et ayant été serpentinisées en profondeur dans une zone de subduction alpine, avant de remonter à la surface grâce à la tectonique.

Les observations visuelles sur le terrain ont permis aux chercheurs de mettre en évidence, dans les roches étudiées, d'importantes structures de percolation de fluides se présentant notamment sous la forme de veines et de fronts réactionnels. L'étude pétrologique menée sur ces échantillons par microscopie optique et électronique (jusqu'à l'échelle micrométrique) leur a permis d'établir les mécanismes réactionnels de formation de ces roches. Des inclusions fluides primaires piégées dans les minéraux ont été détectées et étudiées par spectrométrie Raman et se sont avérées être principalement composées de méthane et de dihydrogène. Enfin, la nature abiotique de ces fluides primaires et leur lien avec les réactions profondes enregistrées dans ces échantillons naturels ont été confirmés par une étude des compositions isotopiques du carbone de ces échantillons et par modélisation thermodynamique.
 Cette étude qui intègre la géologie de terrain, la pétrologie et la géochimie des isotopes stables a permis de montrer que, comme c'est le cas au niveau des fonds océaniques, les processus de serpentinisation des roches ultrabasiques en zones de subduction peuvent engendrer des fluides chargés en dihydrogène, et que l'interaction de ces fluides avec les roches serpentinisées et carbonatées subduites libère de grandes quantités de méthane abiotique profond. Dans le cas des roches alpines étudiées, les estimations indiquent que ce processus a eu lieu à des profondeurs comprises entre 40 et 20 kilomètres, pendant environ 500 000 ans, avec des flux de méthane abiotique estimés à au moins 350 kilogrammes par mètre cube de roche.

Les processus de serpentinisation profonds pourraient ainsi libérer, en zone de subduction et pour l'ensemble de la planète, au moins 1 mégatonne de dihydrogène et 1,5 mégatonne de méthane abiotique par an, soit des flux extrêmement élevés et comparables à ceux estimés en contexte océanique.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives d'études sur la genèse d'hydrocarbures profonds et sur les mécanismes de transport de l'hydrogène et du carbone entre les réservoirs profonds et superficiels au cours de l'historie géologique de la Terre - et peut-être d'autres corps planétaires - ainsi que pour la synthèse d'hydrocarbures en laboratoire.