Des chercheurs en sciences de la Terre localisent des eaux souterraines vieilles d’un milliard d’années en Afrique du Sud

Une équipe internationale de chercheurs a découvert des eaux souterraines vieilles de plus d’un milliard d’années profondément sous la surface de la Terre – ce n’est que la deuxième fois qu’une telle découverte a été faite.

L’eau, qui a 1,2 milliard d’années, a été récupérée d’une mine de production d’or et d’uranium à Moab Khotsong, en Afrique du Sud, confirmant que les eaux souterraines d’un tel millésime sont plus abondantes qu’on ne le pensait auparavant.

La découverte jette un nouvel éclairage sur la façon dont la vie est maintenue sous la surface de la Terre et comment elle peut prospérer sur d’autres planètes.

« Il y a dix ans, nous avons découvert des eaux souterraines vieilles d’un milliard d’années sous le Bouclier canadien – ce n’était que le début, semble-t-il », déclare un professeur d’université Barbara Sherwood Lollar du département des sciences de la Terre de la faculté des arts et des sciences de l’Université de Toronto et coauteur d’une étude publiée dans Communication Nature.

« Maintenant, à 2,9 kilomètres sous la surface de la Terre à Moab Khotsong, nous avons découvert que les avant-postes extrêmes du cycle mondial de l’eau sont plus répandus qu’on ne le pensait. »

Ce qui est différent par rapport à la découverte de 2013 à la mine Kidd Creek près de Timmins, en Ontario, c’est que les niveaux élevés d’uranium local ont rendu la découverte plus difficile, car le minéral masquait l’âge de l’eau profondément à l’intérieur de la roche souterraine.

L’uranium et d’autres éléments radioactifs sont naturellement présents dans la roche hôte environnante qui contient des gisements de minéraux et de minerais. La compréhension du rôle de ces éléments a révélé de nouvelles façons de penser au rôle des eaux souterraines en tant que source d’énergie pour les micro-organismes mangeurs de roches précédemment découverts dans le sous-sol profond de la Terre. Les micro-organismes puisent l’énergie chimique de la roche pour prospérer en l’absence de soleil.

Lorsque des éléments comme l’uranium, le thorium et le potassium se désintègrent dans le sous-sol, les rayonnements alpha, bêta et gamma qui en résultent ont des effets d’entraînement, déclenchant des réactions radiogéniques dans les roches et les fluides environnants. Le rayonnement brise également les molécules d’eau dans un processus appelé radiolyse, produisant de grandes concentrations d’hydrogène – une source d’énergie essentielle pour les communautés microbiennes souterraines qui ne peuvent pas accéder à l’énergie du soleil pour la photosynthèse.

Le chercheur Oliver Warr collecte des échantillons à 2,9 kilomètres sous la surface de la Terre (photo publiée avec l’aimable autorisation d’Oliver Warr)

Dans les échantillons d’eau souterraine récupérés à Moab Khotsong, les chercheurs ont trouvé de grandes quantités d’hélium, de néon, d’argon et de xénon radiogéniques, ainsi qu’une découverte sans précédent d’un isotope du krypton – un traceur inédit de cette puissante histoire de réaction.

Alors que la nature presque imperméable des roches où se trouvent ces eaux signifie que les eaux souterraines elles-mêmes sont largement isolées et se mélangent rarement – ce qui explique leur âge de 1,2 milliard d’années – la diffusion d’hydrogène, d’hélium et de néon parmi d’autres gaz peut toujours avoir lieu.

« Les matériaux solides tels que le plastique, l’acier inoxydable et même la roche solide sont finalement pénétrés par la diffusion d’hélium, un peu comme le dégonflage d’un ballon rempli d’hélium », explique Olivier Warr, chercheur associé au département des sciences de la Terre de l’Université de Toronto et auteur principal de l’étude. « Nos résultats montrent que la diffusion a permis à 75 à 82 % de l’hélium et du néon produits à l’origine par les réactions radiogéniques d’être transportés à travers la croûte sus-jacente et capturés pour des applications industrielles. »

Les chercheurs soulignent que les nouvelles informations de l’étude sur la quantité d’hélium diffusée depuis les profondeurs de la Terre constituent une avancée cruciale alors que les réserves mondiales d’hélium s’épuisent et que la transition vers des ressources plus durables gagne du terrain.

« Pour la première fois, nous avons un aperçu de la façon dont l’énergie stockée profondément dans le sous-sol de la Terre peut être libérée et distribuée plus largement à travers sa croûte au fil du temps », déclare Warr. « Considérez-le comme une boîte de Pandore de puissance de production d’hélium et d’hydrogène, une boîte que nous pouvons apprendre à exploiter au profit de la biosphère profonde à l’échelle mondiale.

« Les humains ne sont pas les seules formes de vie qui dépendent des ressources énergétiques du sous-sol profond de la Terre. Étant donné que les réactions radiogéniques produisent à la fois de l’hélium et de l’hydrogène, nous pouvons non seulement en savoir plus sur les réservoirs et le transport de l’hélium, mais nous pouvons également calculer la variabilité de l’énergie hydrogène qui peut soutenir les microbes souterrains à l’échelle mondiale.

Warr note que de tels calculs sont essentiels pour comprendre comment la vie souterraine est maintenue sur Terre et quelle énergie pourrait être disponible à partir de l’énergie radiogénique sur d’autres planètes et lunes du système solaire et au-delà – informant les missions à venir sur Mars, ainsi que pour Titan, lunes de Saturne, Encelade et Europa, la lune de Jupitor. Les résultats suggèrent la possibilité que les eaux souterraines puissent persister sur de longues périodes malgré les conditions de surface qui ne fournissent plus de zone habitable.

Les autres co-auteurs de l’article incluent CJ Ballentine de l’Université d’Oxford, des chercheurs de l’Université de Princeton et de l’Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique. La recherche a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, la Société canadienne de gestion des déchets nucléaires, l’Université d’Oxford et l’Institut canadien de recherches avancées. La National Science Foundation et l’International Continental Scientific Drilling Program ont financé le forage et l’installation d’équipements d’échantillonnage.