Pressure-induced desalting of NaCl-bearing ice VII: A compositional filter in water-rich planets

Sous les coquilles de glace des lunes comme Europe et Encelade, ou à l'intérieur des vastes mondes riches en eau orbitant autour d'étoiles lointaines, se trouve une couche d'eau gelée si épaisse que la pression à sa base est des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique au niveau de la mer. Dans ces profondeurs écrasantes, l'eau ne se comporte pas comme la glace que nous connaissons dans un lac hivernal. Au lieu de cela, elle se transforme en un solide cristallin dense connu sous le nom de glace VII, une forme d'eau qui reste solide même à des températures bien supérieures au point d'ébullition de l'eau à la surface. Pendant des décennies, les planétologues ont opéré selon une hypothèse simple sur ce qui arrive lorsque le sel se dissout dans ces océans profonds : à mesure que l'eau gèle pour devenir cette glace de haute pression, le sel est expulsé, rejeté par la structure cristalline et laissé dans l'océan liquide au-dessus. Cette idée a façonné notre compréhension de la manière dont ces mondes sont construits, de la manière dont leurs intérieurs se déplacent et de la question de savoir si leurs océans cachés pourraient abriter la vie. Si le sel ne peut pas pénétrer dans la glace profonde, alors les océans restent salés tandis que les coquilles de glace restent pures, créant un type spécifique de stratification de densité qui dirige les courants internes de la planète.

Cependant, une nouvelle étude remet en question cette vision de longue date en révélant que, dans les bonnes conditions, le sel n'est pas obligé d'être laissé de côté. Les chercheurs ont découvert que lorsqu'une solution saline est gelée rapidement puis compressée sous une pression immense, la glace résultante peut piéger une quantité significative de sel à l'intérieur de sa structure cristalline. Cette découverte suggère que les intérieurs profonds des planètes riches en eau pourraient être bien plus complexes chimiquement que ce que l'on pensait auparavant, avec une glace salée agissant comme un réservoir caché qui pourrait modifier la façon dont la chaleur et la matière circulent à travers ces mondes. L'étude se concentre sur le chlorure de sodium, le même sel de table commun que l'on trouve dans les océans de la Terre, et démontre qu'il peut devenir une partie intégrante de la glace elle-même, plutôt que d'être simplement une impureté située entre les cristaux.

L'équipe, dirigée par des chercheurs issus d'institutions européennes, s'est donné pour mission de tester ce qui arrive au sel lorsqu'il est soumis aux conditions extrêmes présentes dans les profondeurs des lunes glacées. Ils ont commencé avec une solution concentrée de sel et d'eau, similaire à la saumure trouvée dans les océans terrestres mais beaucoup plus forte. Au lieu de simplement geler ce mélange lentement, ce qui expulserait naturellement le sel, ils ont utilisé une technique appelée « trempe et compression ». D'abord, ils ont refroidi le liquide si rapidement qu'il s'est transformé en un solide désordonné, semblable à du verre, sans former de cristaux. Ensuite, tout en maintenant l'échantillon gelé, ils l'ont placé à l'intérieur d'un dispositif capable de générer des pressions bien plus élevées que tout ce qui se trouve à la surface de la Terre. Alors qu'ils compressaient ce mélange eau-sel amorphe et vitreux, ils l'ont réchauffé jusqu'à la température ambiante. Ce chemin spécifique — geler vite, puis compresser — a permis aux ions de sel d'être piégés à l'intérieur de la structure de glace en formation avant que le cristal n'ait la possibilité de les rejeter.

Lorsque les chercheurs ont examiné le matériau résultant à l'aide de puissants faisceaux de rayons X et de diffusion de neutrons, ils ont découvert quelque chose d'inattendu. La glace qui s'est formée n'était pas la glace VII pure standard. Il s'agissait d'une nouvelle version étendue du cristal qui contenait une quantité significative de sel à l'intérieur de sa structure. Les ions de sel, sodium et chlore, avaient pris la place des molécules d'eau au sein du réseau de la glace, créant une solution solide où le sel était tissé directement dans la trame de la glace. Cette nouvelle forme de glace possédait une maille élémentaire, le bloc de construction de base du cristal, environ huit et demi pour cent plus grande que celle de la glace VII pure. La structure était hautement désordonnée, les ions de sel provoquant la torsion et le réorientation des molécules d'eau environnantes pour accommoder les atomes étrangers. Crucialement, il n'y avait aucun signe de cristaux de sel séparés ou d'hydrates de sel ; le sel était pleinement intégré à la glace.

Les chercheurs ont ensuite testé la stabilité réelle de cette glace salée. Ils ont réduit lentement la pression sur l'échantillon tout en maintenant la température constante. À une pression d'environ 5,1 gigapascals, un changement spectaculaire s'est produit. La glace salée et dilatée a soudainement expulsé le sel, qui a cristallisé en grains de sel solides distincts. La glace est redevenue sous sa forme pure, et le sel a été laissé derrière lui en tant que minéral distinct. Lorsqu'ils ont tenté de compresser à nouveau l'échantillon pour recréer la glace salée, cela ne s'est pas produit. Le sel est resté séparé, refusant de réintégrer la structure de la glace. Cela a révélé que la formation de cette glace salée n'est pas un processus simple et réversible qui se produit automatiquement à haute pression. Au contraire, elle dépend entièrement de l'histoire du matériau : elle ne se forme que si le sel est piégé dans un état désordonné avant que la glace ne cristallise. Une fois que le sel est expulsé, il ne peut pas facilement être forcé de revenir.

Cette découverte a des implications profondes pour notre compréhension des intérieurs des planètes riches en eau. Parce que la glace salée est moins dense qu'un mélange de glace pure et de cristaux de sel séparés, elle peut flotter plus facilement dans le manteau profond d'une planète. Cela signifie que la glace salée pourrait être transportée vers le haut par le mouvement lent et de l'intérieur de la planète, transportant le sel de l'interface rocheuse profonde vers l'océan de surface. Cependant, à mesure que cette glace salée monte et que la pression diminue, elle atteindra finalement le seuil critique de 5,1 gigapascals. À ce stade, la glace libérera son sel, qui coulera alors vers le bas car il est plus dense que la glace environnante. Ce processus agit comme un filtre, permettant à une partie du sel de voyager vers le haut mais en piégeant une partie importante à une profondeur spécifique.

L'étude suggère que la composition chimique des océans de subsurface sur les lunes et les exoplanètes pourrait être contrôlée par ce filtre induit par la pression. Si la glace profonde peut retenir le sel, les océans au-dessus pourraient être moins salés que ce que prédisent les modèles. Inversement, si la glace relâche le sel à une profondeur spécifique, elle pourrait créer une couche de matériau salé dense qui inhibe toute mélange supplémentaire. Les chercheurs notent que bien que leurs expériences aient utilisé des concentrations de sel très élevées pour rendre l'effet clair, le principe s'applique probablement aux saumures beaucoup plus diluées présentes dans la nature, bien que la profondeur exacte de cet effet de filtrage dépende de la température et des niveaux de sel de chaque monde. En démontrant que la glace VII peut servir d'hôte au sel sous certaines conditions, l'étude force une remise en question de la manière dont les éléments chimiques circulent à travers les intérieurs profonds des mondes les plus mystérieux du système solaire. La glace profonde n'est pas seulement une barrière passive excluant le sel ; c'est un participant dynamique à l'évolution chimique de ces planètes, capable de piéger, de transporter et de libérer le sel de manières auparavant inimaginables.