Le volcanisme dans le système solaire

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire des Sciences de la Terre

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

Emmanuelle Cecchi

21 - 07 - 2000

Résumé

État des connaissances sur le volcanisme dans le système solaire. Outre la Terre, certaines planètes et satellites du système solaire présentent des signes d'un volcanisme postérieur à leur accrétion.


De nombreuses images proviennent du site de Calvin J. HAMILTON.

Introduction

Le volcanisme est l'un des principaux agents géologiques modelant la surface des planètes et des satellites solides; c'est aussi l'un des principaux témoins de l'activité interne de ces corps.

Le système solaire comprend quatre classes de tailles d'objets : autour de 10 à 100, 1 000, 10 000, 100 000 et 1 000 000 km de diamètre, et deux classes de masses volumiques : autour de 1-2 g/cm3, et autour de 3-5g/cm3.

Sur les 2x4=8 classes possibles, six classes existent réellement dans la nature: quatre classes de corps "légers" et deux classes de corps "denses" (voir ci-contre).

Seules les classes 3 et 5 ont (ou ont eu) une activité volcanique postérieure à l'accrétion....


Les corps légers

  1. Le Soleil, boule d'H et d'He comprimés, siège de réactions de fusion thermonucléaire.
  2. Les 4 planètes géantes, également boules d'hydrogène et d'hélium comprimés, sans réactions thermonucléaires, avec au centre un petit cœur de glace, de roches et de fer.
  3. Les "gros" satellites de glaces (glaces d'H2O principalement mais aussi d'eau ammoniaquée, d'azote gelée ...) et la planète Pluton de même composition, de 500 à 5000 km de diamètre.
  4. Les comètes, les petits satellites de glaces et les objets de la ceinture de Kuiper, blocs de glaces de 1 à 100 km.

Les corps denses

  1. Les planètes et satellites telluriques, principalement constitués de roches et de fer (Mercure, Vénus, Mars, La Lune et Io), dont deux sont partiellement ou totalement recouverts d'H2O (La Terre et Europe).
  2. Les astéroïdes, morceaux de 1 à 1000 km de diamètre, faits de silicates et de fer.

Le volcanisme des planètes et satellites "internes" (de Mercure à Mars)

La Terre

Figure 2. Éruption aux Galapagos

Éruption aux Galapagos
Éruption aux Galapagos


Les figures 2 et 3 sont des exemples d'éruptions volcaniques sur Terre.

La Terre est le prototype des corps possédant un volcanisme.

Le manteau silicaté est chaud, principalement à cause de la radioactivité interne, entièrement solide et cristallisé à cause de la pression, mais convectif (à l'état solide) à cause de différences de masses volumiques engendrées par les différences de température: la surface, froide et plus dense (la lithosphère) a tendance à s'enfoncer dans la profondeur, plus chaude donc moins dense (l'asthénosphère), et réciproquement.

Cette convection, à l'état solide, s'effectue selon deux modalités:

  1. une convection à grands rouleaux descendants et ascendants, dont la tectonique des plaques est l'expression superficielle,
  2. une convection ascendante ponctuelle d'origine très profonde, et redescente diffuse???, dont les points chauds sont l'expression superficielle.

Aujourd'hui, plus de 90% de l'énergie interne sont évacués par la convection à grands rouleaux, alors que les points chauds en évacuent moins de 10%.

Cette convection engendre du volcanisme, par fusion partielle (< 25%) du manteau, en quatre "sites" particuliers:

  1. 1er "site": les parties ascendantes des cellules de convections (en rouleaux = dorsales ou ponctuelles = points chauds),
  2. 2ème "site": idem,
  3. 3ème "site": les zones isolées de fractures lithosphériques sous et dans laquelle "remonte" de l'asthénosphère (ex : le Massif Central),
  4. 4ème "site": l'hydratation du manteau due à l'enfoncement de lithosphère hydratée (subduction) qui abaisse localement la température de fusion de la péridotite mantellique.

Les produits "primaires" de fusions sont "basiques" et fluides (basalte, basalte andésitique ...), mais la différenciation peut conduire à des laves plus acides et plus visqueuses, ce qui est à l'origine d'une très grande variété morphologique des édifices volcaniques : de la coulée sans relief à l'aiguille péléenne, en passant par le volcan bouclier (Hawaïen), le cône pyroclastique (strombolien)...

Vénus

Vénus est l'autre cas d'une planète interne volcaniquement active de nos jours (bien qu'aucune éruption n'ait été vue par la mission Magellan).

Les volcans y sont partout, de tous types (il existe donc des laves différenciées). Mais les volcans ne présentent aucun alignement (aucune trace de dorsales ou de subduction). Si on applique le modèle terrestre, Vénus est un champ de points chauds ou de zones locales de fractures lithosphériques.

La Terre et Vénus ayant la même taille et la même masse (donc probablement le même dégagement d'énergie interne), on pourrait s'attendre à ce que ces deux corps aient la même dynamique interne. Il n'en est rien, puisqu'il n'y a pas de traces de tectonique des plaques sur Vénus.

L'absence de tectonique des plaques serait due à l'absence d'H2O. Pour qu'il y ait tectonique des plaques, il faut un important découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, découplage dû à un fort contraste de viscosité (sur Terre, lithosphère = 10 23 pascal-seconde, et asthénosphère = 1019 ; rappel : glace = 1012). Ce grand écart de viscosité, principalement due à la différence de température, est augmenté par la présence d'eau dans le manteau (environ 1 pour 1000). Le manteau de Vénus a été entièrement dégazé par le volcanisme et ne contient plus d'eau. Le manteau terrestre se dégaze, certes, mais la subduction réinjecte de l'eau dans le manteau (??? Environ 80 m3 par seconde, dont 80% ressort directement par le volcanisme andésitique, mais dont 20% pénètre le manteau profond). Il est donc encore hydraté, donc moins visqueux, et permet la tectonique des plaques.

Les analyses in situ faites par les sondes soviétiques sont compatibles avec un volcanisme vénusien à dominante basaltique.

Figure 4. Volcan sur Vénus : le volcan Sif Mons

Volcan sur Vénus : le volcan Sif Mons
Volcan sur Vénus : le volcan Sif Mons

Image radar superposée à un modèle numérique de terrain et traitée pour donner un effet de perspective (relief exagéré vingt fois) (volcan hawaïen typique).


Figure 5. Exemple de dômes volcaniques sur Vénus

Exemple de dômes volcaniques sur Vénus
Exemple de dômes volcaniques sur Vénus

Les dômes sont vraisemblablement constitués de laves différenciées.


Les figures 4 et 5 sont des photographies d'appareils volcaniques sur Vénus.

Mars

Sur Mars, le volcanisme semble éteint depuis 500 millions d'années (plus ou moins 500 millions). Les derniers édifices sont des grands volcans isolés (points chauds ???), de type volcan bouclier. Les plus vieux sont des grandes plaines de laves difficilement comparables avec un des contextes "terrestres" de volcanisme.

Il n'y a aucun indice morphologique de dorsales ou de subductions.

Les analyses faites sur place (et indirectement grâce aux météorites martiennes) indiquent une nature surtout basaltique.

Figure 8. Olympus Mons

Olympus Mons
Olympus Mons

Le plus grand volcan du système solaire: 26 km d'altitude.


Figure 9. Exemple de lac de lave sur Mars

Exemple de lac de lave sur Mars
Exemple de lac de lave sur Mars

La caldeira de ce volcan a été occupée par un lac de laves qui a débordé vers le Sud.


Figure 10. Le Tyrrhena Patera et ses vallées radiales

Le Tyrrhena Patera et ses vallées radiales
Le Tyrrhena Patera et ses vallées radiales

Ce volcan a subi une érosion apparaissant sous la forme de vallées radiales.


La Lune et Mercure

Le volcanisme y est éteint depuis au moins 3 milliards d'années. Il forme des grandes plaines de lave.

La lave, très fluide, a tellement coulé et les coulées sont tellement horizontales qu'on ne voit pas d'édifice comme des volcans.

La "géodynamique" à l'origine de ce vieux volcanisme n'est pas connue.

Sur la Lune, l'échantillonnage montre que ce volcanisme est basaltique.

La Lune

Figure 11. Vue globale de la Lune

Vue globale de la Lune
Vue globale de la Lune

Les continents anorthositiques sont en clair et les mers basaltiques en sombre.


Figure 12. Détail de la surface de la Lune : plaine basaltique, continents et figures d'impacts

Détail de la surface de la Lune : plaine basaltique, continents et figures d'impacts
Détail de la surface de la Lune : plaine basaltique, continents et figures d'impacts

Au premier plan de l'image: plaine basaltique. Sur l'horizon à droite: des continents. L'ensemble a été affecté par un impact récent à l'origine du cratère Copernic. La "mer" est perforée par les impacts secondaires issus de la cavité de Copernic.


Mercure


Figure 14. Exemple de cratères sur Mercure

Exemple de cratères sur Mercure
Exemple de cratères sur Mercure

Les cratères sont remplis postérieurement par de grands épanchements de laves fluides, ce qui explique cette morphologie extrêmement plate.


Relation taille / volcanisme

Les observations précédentes montrent que:

  1. Les "gros corps" (Terre et Vénus, D=12 000 km) ont un volcanisme encore actif.
  2. Le corps de taille moyenne (Mars, D = 7 000 km) a un volcanisme mort depuis 0,5 GA.
  3. Les "petits corps" (Lune et Mercure, D = 4 000 km) ont un volcanisme mort depuis 3 GA.

La durée du volcanisme semble donc dépendre de la taille, et à un instant donné (maintenant par exemple), on peut dire que la Terre et Vénus sont chauds, Mars tiède, et la Lune et Mercure froids.

Pourquoi cette différence de température, alors qu'à priori (et aussi d'après les mesures de surface), ces cinq corps possèdent la même radioactivité intrinsèque, fournissant la même quantité de chaleur par unité de volume (environ 40 Watts par km3)?

Supposons, pour simplifier, que ces cinq corps soient en équilibre thermique: la chaleur produite à l'intérieur est égale aux pertes de chaleurs dues au flux géothermique, flux ayant lieu par la surface. La chaleur est produite dans le volume, proportionnel au cube du rayon. La perte de chaleur se fait par la surface, proportionnelle au carré du rayon. La température dépend donc du rapport volume/surface, c'est a dire du rayon.

Si on appelle pour chaque planète:

  • q la production de chaleur par unité de volume, V le volume, R le rayon, S la surface,
  • k un coefficient de perte de chaleur (la conductivité des roches par exemple)
  • dT la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur,

on peut écrire :

Production de chaleur Q:

Q = f (V . q) = f (R3 . q)

Perte de chaleur P:

P = f ( S . k . dT ) = f ( R2 . k . dT )

Si on suppose qu'il y a équilibre, alors Q = P:

R3 . q = R2 . k . dT

ce qui en simplifiant donne:

dT = R . q / k

La différence de température entre l'intérieur et l'extérieur, c'est-à-dire la température interne d'une planète est fonction de son rayon (si q et k sont identiques pour toutes les planètes).

Plus une planète est grosse, plus elle est chaude, donc volcaniquement active...

Io et Europe, deux satellites telluriques de Jupiter

Io

Figure 15. Exemple de deux éruptions sur Io, satellite de Jupiter

Exemple de deux éruptions sur Io, satellite de Jupiter
Exemple de deux éruptions sur Io, satellite de Jupiter

Le carton en haut à droite montre un détail de l'éruption située sur le limbe et celui du bas, l'éruption située sur le terminateur : on voit parfaitement l'ombre du panache qui s'étire vers l'Est.



Io a la taille, la masse et une densité légèrement supérieures à celles de la Lune. Comme la Lune, Io devrait être géologiquement et volcaniquement inactif. Les missions Voyager et Galileo ont révélé l'inverse: Io est le plus actif et le plus volcanique des corps du système solaire, avec des centaines de volcans de toutes morphologies.

Plus de dix volcans montrent en permanence leur panache de plus de 200 km de hauteur. Entre deux survols ayant eu lieu en 1979 et en 1997, plusieurs milliers de km2 de nouvelles coulées de laves ont été émises. Les mesures infrarouges montrent localement des températures superficielles supérieures à 1300°C, et un dégagement de chaleur 100 fois plus fort que celui que l'on pouvait attendre par simple radioactivité.

D'où vient cette "débauche" d'énergie? Des marées.

Io est très près de la planète géante Jupiter, ce qui engendre de fortes marées sur ce satellite (déformation permanente sous la forme d'un bourrelet moyen permanent et fixe de 7 km). A cause de la présence des trois autres gros satellites (Europe, Ganymède et Callisto), l'orbite de Io est périodiquement déformée, sa vitesse de révolution modifiée, et la dimension du bourrelet (7 km) oscille de plus ou moins 100 m.

Ces modifications sont sources de frictions considérables, donc de chaleur, à l'origine du volcanisme observé.

Europe

Europe est un satellite rocheux de Jupiter (densité = 3,05), mais pas entièrement rocheux vu sa densité plus faible que celle des chondrites. Il est donc constitué d'un mélange de matériel dense (supposé chondritique) et de matériel moins dense.

Des études spectrales indiquent que sa surface est constituée de glace d'H2O. Si on suppose qu'Europe est donc fait d'un mélange chondrite + H2O, et qu'il est différencié (l'eau, moins dense, est en surface), sa densité de 3,05 indique que c'est une sphère de silicates et de fer, entièrement recouverte d'une couche de 100 km d'H2O. Vu la distance au soleil et la température de surface (environ -180°C), cette eau est évidement gelée.

Mais la surface de cette glace montre des signes évidents de mouvements, de renouvellements et de dérives, "comme si" il n'y avait qu'une banquise de 10 km recouvrant un océan d'eau liquide de 90 km. L'origine de l'énergie à l'origine de la fonte de la base de cet océan (malgré la très basse température extérieure) serait un volcanisme, moins fort que celui de Io (Europe est plus loin de Jupiter), mais due aux mêmes causes: les marées.

Il y aurait donc des volcans sous-océaniques sur Europe, ce qui fait rêver les chercheurs de vie extra-terrestres...

Voir l'article consacré à l'océan d'Europe...

Les planètes et satellites de glaces


Au total, 14 satellites de glace tournent autour de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

Pluton et son satellite Charon sont de même constitution. Les diamètres de ces 16 corps s'échelonnent de 500 à 5000 km.

De petite taille, ils ne devraient avoir aucune activité volcanique récente. C'est oublier deux paramètres:

  1. Ces satellites n'étant jamais seuls autour de leur planète, des interactions avec d'autres satellites peuvent produire de l'énergie "marémotrice" comme sur Io et Europe.
  2. S' il faut une température supérieure à 1000°C pour fondre des silicates, 0°C suffit pour fondre de la glace d'H2O, -200°C pour fondre de la glace d'azote...

Il pourrait donc y avoir du volcanisme sur ces corps, mais ce serait des volcans d'eau, d'azote ...

Les observations ont montré qu'il existe toutes les gammes possibles de corps, depuis ceux qui n'ont jamais été actifs (Mimas, Callisto ...), à ceux qui ont une activité géologique et volcanique géologiquement récente (Ganymède, Ariel ...), à ceux qui sont encore actif (Encelade, Triton).

Triton (satellite de Neptune) est le seul corps avec la Terre et Io où l'on ait vu des éruptions en activité (panaches d'une dizaine de km de haut) ; mais ce sont des volcans d'azote, et certains puristes refusent le terme de volcan, préférant celui de geyser... Intéressant débat!