Trente ans d'exploration des dorsales océaniques : diversité et localisation des systèmes hydrothermaux

 

Yves Fouquet, Daniel Desbruyères, Jean-Luc Charlou

 

Fumeurs blancs photographiés par le Nautile au cours de la campagne Nautilau dans les zones volcaniques à proximité des îles Tonga (Sud ouest Pacifique). Profondeur : 1700 m.
© Ifremer

 

Les premières sources hydrothermales de haute température (350°C) dans les grands fonds océaniques ont été découvertes en 1978 sur la dorsale volcanique du Pacifique Est. Cette découverte spectaculaire était la preuve qu'une partie importante de la chaleur terrestre est extraite par de l'eau de mer surchauffée.

On estime actuellement que 25% de la chaleur terrestre est évacuée par les fluides. Les implications de cette découverte ont rapidement dépassé les domaines de la géophysique et de la tectonique des plaques. L'énergie chimique contenue dans les fluides permet le développement d'une intense activité microbienne et de communautés animales spécialisées et originales, s'alimentant grâce à l'énergie géothermale.
Les métaux extraits des profondeurs de la croûte et du manteau terrestres s'accumulent pour former des amas de sulfures métalliques qui représentent des ressources minérales potentielles. Dans certains contextes, les roches du manteau terrestre sont portées à l'affleurement. Les fluides issus des réactions de l'eau de mer avec ces roches sont très enrichis en hydrogène, méthane et hydrocarbures plus lourds.

Après 30 ans d'exploration, 90 champs hydrothermaux actifs ont été découverts dans les profondeurs des océans. Les sources se situent préférentiellement sur les dorsales océaniques, aux frontières des plaques, là où l'activité volcanique et tectonique est la plus intense. Les dorsales sont le lieu de formation de la croûte océanique et d'écartement des plaques constituant la croûte terrestre.
Après la découverte de champs hydrothermaux sur les dorsales rapides (écartement des plaques entre 6 et 18 cm/an), les explorations menées dans les années 80 et 90 ont permis la découverte de sources chaudes sur les dorsales lentes s'écartant à des vitesses inférieures à 6 cm/an.

A la fin des années 80, et durant les années 90, les explorations ont montré que les sources hydrothermales étaient également très fréquentes sur les rides volcaniques sous-marines situées en arrière des grandes fosses, en particulier dans l'ouest du Pacifique en arrière de la fosse des Mariannes et de la fosse de Tonga.
Certains volcans "intraplaques" situés non plus aux frontières de plaques comme les dorsales, mais à l'intérieur, sont également le lieu d'une activité hydrothermale sous-marine. Sur toutes ces sources, une faune et une flore microbienne spécialisée ont été observées associées à ces sorties de fluides hydrothermaux. Aujourd'hui, 580 espèces animales ont été décrites dans ces habitats.

Contrairement à ce que certains avaient prédit après la première découverte, la variabilité de composition des fluides, des précipités hydrothermaux et des populations animales associées aux sources est très grande. Elle dépend de plusieurs paramètres, les deux principaux étant la pression et la nature des roches qui réagissent avec l'eau de mer.
La pression agit sur la température d'ébullition des fluides. A 3000 mètres, par exemple, la température d'ébullition de l'eau de mer est supérieure à 400°C. Les sources sont actuellement connues depuis la zone littorale jusqu'à 4100 m de profondeur. Si les fluides dépassent la température d'ébullition, on pourra avoir des fluides plus salés (saumures) ou moins salés (vapeur condensée) que l'eau de mer.
Le deuxième paramètre faisant varier les compositions des fluides et des dépôts hydrothermaux est la nature des roches lessivées au cours de la circulation hydrothermale. Les fluides et les dépôts hydrothermaux issus des interactions de l'eau de mer avec les laves basaltiques (pauvres en silice), les laves rhyolitiques (riches en silice), les sédiments, ou les roches ultrabasiques issues du manteau ont des compositions extrêmement diversifiées.

 

 

Actuellement, tous les systèmes volcaniques sous-marins ont montré qu'ils étaient associés à une activité hydrothermale intense.
Une grande partie des 60000 km de dorsales entourant le globe reste encore inexplorée. Les recherches se poursuivent sur les dorsales Atlantique, Indienne et Pacifique. Beaucoup de travaux sont également menés sur des chantiers spécifiques afin de mieux comprendre les processus, les interactions et les variations temporelles de l'activité hydrothermale et son incidence sur l'activité biologique.

L'exploration des grands fonds océaniques est une aventure devant se concevoir sur le long terme et dans le cadre de coopérations internationales. La France associée aux Etats-Unis a été à l'origine de la découverte des systèmes hydrothermaux. Pendant une vingtaine d'année, les pays maîtrisant la technologie des submersibles habités (France, Etats-Unis, Japon, Russie, Canada) ont eu un accès privilégié à l'étude des systèmes hydrothermaux. L'arrivée des engins télé-opérés a élargi ce groupe à l'Allemagne, l'Angleterre, la Chine et la Corée du Sud.

 

Trente ans de coopération franco-russe

Une coopération forte existe depuis plus de 30 ans entre la France et la Russie pour l'exploration et la connaissance de la dorsale Médio-Atlantique, lieu de séparation des plaques Amérique et Afrique.

L'objectif de cette coopération est de mieux connaître l'océan profond et ses relations avec l'intérieur du globe, de recenser les ressources minérales potentielles et de mieux comprendre l'écologie des systèmes hydrothermaux. Cette connaissance sera essentielle pour une exploitation raisonnable des ressources minérales grands fonds et la préservation de notre environnement.

Durant les années 70 et 80, la coopération s'est focalisée sur l'étude des roches volcaniques. Le but était de mieux comprendre les mécanismes de fusion du manteau produisant les laves qui forment la croûte océanique. Plus récemment, au début des années 90, la coopération franco-russe s'est orientée vers la connaissance des mécanismes de transferts chimiques par les circulations hydrothermales.
Un point particulier concerne le transfert des métaux et leur accumulation sous forme d'amas de sulfures polymétalliques constituant une ressource minérale potentielle. L'ouverture de la coopération vers les systèmes hydrothermaux a élargi le champ disciplinaire vers les recherches sur la biodiversité des grands fonds et l'étude des bactéries extrêmophiles. Depuis 1969, date de la première campagne commune, ces recherches ont donné lieu à plusieurs campagnes communes sur les navires russes et français.

 

De nombreux organismes russes sont impliqués dans la campagne Serpentine : l'Institut Vernadsky de Moscou (géochimie des roches), l'Institut de géologie des ressources minérales de Moscou (étude des minéralisations polymétalliques), l'Institut Shirshov de Moscou (biologie), l'Institut Winogradsky de Microbiologie à Moscou (microbiologie), et l'Institut de géologie océanique de Saint Petersbourg (géochimie des l'eau et des précipités hydrothermaux).