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À plus de 1 000 mètres sous l’eau, des observatoires pour étudier la richesse de l’océan profond

L’engin sous-marin Victor 6000 explorant une source hydrothermale. Ifremer/Pix-factory, CC BY-NC-ND

Longtemps, par manque de moyens d’accès efficaces, l’océan profond a été perçu comme une immense plaine désertique ; un environnement stable, obscur et froid.

C’est dans la première moitié du XXe siècle que des « savants fous » sont allés voir si ces plaines abyssales étaient si désertiques. En 1932, les Américains William Beebe et Olis Barton atteignent les 900 mètres à bord de leur « bathysphère » ; en 1960, le professeur Auguste Piccard développe le Trieste, lui permettant de décrocher le record de plongée profonde à 10 900 mètres dans la fosse des Mariannes (Pacifique).

En utilisant des submersibles habités, ces pionniers ouvrent la voie à l’exploration des grands fonds. Ces appareils seront ensuite développés et utilisés à des fins scientifiques.

The Trieste’s Deepest Dive. (Rolex/youtube, 2012).

Les années 1970 et le tournant des sources hydrothermales

Dans le courant des années 1950-1960, une série d’avancées majeures révolutionnent les sciences de la Terre. On découvre ainsi que les fonds des océans sont jeunes, moins de 200 millions d’années comparés au 4500 de l’histoire de la Terre. Mais c’est dans les années 1970 que notre vision des écosystèmes profonds va radicalement changer.

Situés au-delà des 200 mètres de profondeur, les « abysses » présentent des paysages aussi variés que ceux des écosystèmes terrestres : des plaines abyssales (qui en constituent la grande majorité), des chaînes de montagnes sous-marines (les dorsales médio-océaniques), des canyons, des fosses et des marges… Ces différents contextes géologiques abritent des écosystèmes distincts, soutenus par deux sources d’énergie.

On distingue d’abord la faune dite « benthique », qui utilise majoritairement des apports d’origine photosynthétique sédimentant depuis la surface. Puis, à la fin des années 1970, à la faveur de la découverte de sources hydrothermales – situées sur une dorsale à proximité des îles Galapagos –, on détecte la présence d’une autre source d’énergie.

Cette énergie alternative, apportée dans les sources hydrothermales par des émissions de fluides, est utilisée par des microorganismes produisant la matière organique qui se trouve à la base de la chaîne alimentaire grâce au processus de la « chimiosynthèse ».

Le règne de la chimiosynthèse

Ces sources hydrothermales se trouvent en effet en majorité sur les chaînes de montagnes sous-marines (dorsales medio-océaniques) et dans les espaces océaniques situés en arrière et parallèlement à un arc volcanique (bassins arrière-arc).

Dans ces zones actives, les plaques tectoniques s’écartent pour former un nouveau plancher océanique. Celui-ci est fragmenté, fissuré, permettant à l’eau de mer, froide et dense, d’y percoler.

En entrant en contact avec ces roches chaudes, l’eau de mer va subir des réactions chimiques et voir sa composition modifiée : le fluide hydrothermal qui en résulte sera chaud (jusqu’à 350 °C), très souvent acide et dépourvu d’oxygène (anoxique) ; il sera aussi chargé en sulfures et métaux. Lorsque ce fluide chaud remonte vers la surface, en jaillissant à l’axe de la dorsale, il forme ce qu’on appelle des « fumeurs noirs ». Des dépôts, riches en fer, cuivre et zinc, s’accumuleront au cours du temps pendant la période d’activité des sources, généralement estimée à plus de 10 000 ans, pour composer autant d’édifices hydrothermaux.

En générant ces dépôts minéraux, le fluide hydrothermal soutient également cet écosystème très particulier évoqué plus haut et dont la chaîne alimentaire dépend : non pas de la photosynthèse – il n’y a plus de lumière au-delà de 200 m de profondeur –, mais de la chimiosynthèse microbienne. La présence de ces microorganismes, certains vivants à très haute température (110, voire 120 °C) va assurer la production de matière organique, consommée ensuite par les animaux colonisant cette zone à très forte productivité.

On l’a compris, l’écosystème ainsi formé, très limité dans l’espace (quelques centaines de m2 au maximum), est dépendant de la source hydrothermale.

Une image partielle des écosystèmes

Les sources hydrothermales que nous venons de décrire sont situées sur des zones actives (volcanisme et tectonisme) et réparties de manière discontinue le long des chaînes de montagnes sous-marines (les dorsales médio-océaniques).

Encore bien des sources sont à découvrir, mais on estime que la distance entre deux sources est de l’ordre de 10 à 100 km.

L’étude de ces écosystèmes est encore très récente (quatre décennies seulement) et beaucoup de questions restent aujourd’hui sans réponse… Comment fonctionne cette circulation hydrothermale ? Comment se forment ces sulfures polymétalliques ? Quelles sont les différences rencontrées dans les différentes sources réparties sur les dorsales ? Quels sont les flux de chaleur et de matière (métaux et matière organique) apportés par les sources hydrothermales dans l’océan ? Quels sont les organismes qui colonisent ces environnements ? Comment résistent-ils à un milieu « hostile » ?

Si le développement des submersibles, habités ou téléopérés, a permis de commencer à répondre à ces questions, les approches classiques, basées sur des campagnes océanographiques, n’apportent qu’une image partielle du fonctionnement d’un écosystème : une photo à un « instant t », sans connaître l’évolution, la variabilité du système au cours du temps.

Les premiers observatoires de fond de mer

Pour dépasser cette vision lacunaire, la communauté scientifique internationale a développé, à partir des années 1990, les premiers projets d’observatoires de fond de mer. John Delaney, professeur à l’Université de Washington, a joué ici un rôle de premier plan, réalisant son rêve « d’amener l’océan au grand public ».

En déployant des câbles sur le fond océanique, le professeur John Delaney et ses confrères ont montré qu’il était possible d’apporter de l’énergie vers des capteurs et de transmettre les données récoltées directement aux chercheurs.

Après quelques années de développements technologiques – déployer des capteurs sur de longues périodes en mer n’est pas chose aisée ! – les premiers observatoires ont vu le jour dans les années 2010. Ocean Network Canada a par exemple développé une infrastructure complète d’acquisition et de gestion de données autour d’un câble sous-marin déployé sur la plaque Juan de Fuca (Pacifique Nord-Est).

La campagne 2016 du Ocean Network Canada pour améliorer son réseau câblé dans l’océan Pacifique.

Des Açores à Brest

C’est à la même période, grâce à des financements européens, que nous avons déployé au large des Açores un observatoire non câblé (appelé EMSO-Açores) pour étudier la variabilité temporelle du champ hydrothermal « Lucky Strike », situé sur la dorsale médio-Atlantique, à 1700 mètres de profondeur. D’autres observatoires EMSO opèrent dans les mers du pourtour européen.

Cette infrastructure est composée de 2 nœuds de surveillance qui fournissent de l’énergie, pilotent les capteurs, enregistrent les données et les transmettent par acoustique à une bouée en surface. Cette bouée sert de relais et renvoie les informations collectées, toutes les six heures, vers le centre d’archivage et de mise à disposition des données, situé à Brest. Ce lien nous permet, depuis la terre, de communiquer avec l’infrastructure.

Ifremer 2010
Infrastructure d’observation et de transmission de données de l’observatoire EMSO. CC BY-NC-ND

Le premier nœud d’observation est déployé sur un lac de lave fossile, nous permettant d’enregistrer localement les séismes et la déformation verticale du plancher océanique. Le second nœud a énormément évolué depuis 2010 : déployé autour de l’édifice hydrothermal actif « Tour Eiffel », il nous permet d’en étudier la variabilité temporelle.

L’infrastructure est complétée par un réseau de capteurs autonomes (thermistances, sismomètres…) et par un programme d’échantillonnage qui nous permet d’augmenter la portée spatiale de l’observatoire et nous donne accès à des données complémentaires (géochimie des fluides, biodiversité…).

Présentation de l’instrument EMSO opérant au large des Açores. (EMSO ERIC/Youtube, 2019).

Dix ans de travaux scientifiques

Depuis dix ans, grâce aux données de l’observatoire EMSO-Açores, nous avons obtenu des résultats décisifs pour comprendre comment la circulation hydrothermale s’établissait, comment le fluide hydrothermal se formait, quelles relations s’établissaient en profondeur entre la source de chaleur magmatique, la perméabilité créée par les failles et les nombreuses fractures à l’axe de la dorsale, et le système hydrothermal. Nous avons également contribué à une découverte importante : les émissions hydrothermales des dorsales jouent un rôle clé pour la teneur en fer des océans.

D’autres résultats marquants sont directement issus de ces dix années d’observation.

La modélisation des courants et de leur interaction avec la topographie a suggéré la formation de tourbillons qui pouvaient augmenter fortement la dispersion spatiale des particules et des larves d’organismes.


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L’étude de la dynamique temporelle de la faune a permis de mettre en évidence la stabilité de ces communautés à l’échelle décennale, et de mieux caractériser la distribution des espèces à l’échelle des individus – notamment à travers le projet de science citoyenne, « Espion des grands fonds » et la reconstruction en 3D de la cheminée hydrothermale active appelée « Tour Eiffel ».

Enfin, une étude très récente a montré pour la première fois l’existence de rythmes biologiques au niveau du comportement et par séquençage moléculaire sur une espèce hydrothermale des grands fonds.

Veiller sur les écosystèmes vulnérables

En plus de ces connaissances fondamentales sur le fonctionnement de l’écosystème hydrothermal, l’observatoire EMSO-Açores nous a permis de développer et de faire fonctionner pendant une décennie complète une infrastructure complexe.

Le cœur électronique du système a été transféré à un industriel pour être commercialisé ; l’infrastructure développée préfigure des stations de surveillance environnementale qui pourront être utilisées dans le futur lors de projets d’exploitation ou de surveillance d’écosystèmes marins vulnérables.

Ces technologies et les connaissances acquises permettront de répondre beaucoup plus efficacement à la question d’évaluation des impacts des activités humaines dans les grands fonds (pollutions, exploitation de ressources).

Depuis les années 1960, l’exploration de ces espaces a ainsi progressé de façon spectaculaire, toujours sous la double impulsion des questionnements scientifiques et des progrès technologiques. Nous appréhendons maintenant la richesse de ces milieux profonds, qui représentent environ 70 % de la surface de notre planète, richesse qu’il est important de partager : mieux connaître pour mieux protéger.

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