Le volcanisme dans le système solaire

Beaucoup d'HED (classe de météorites regroupant principalement les Howardites, Eucrites et Diogénites) sont des roches magmatiques âgées de presque 4,5 Ga (milliards d'années). La croûte des "continents" lunaires a été échantillonnée par les missions Apollo, et est principalement constituée d'anorthosite (roche magmatique composée à 90% de plagioclases) et d'autres gabbros plus minoritaires et a quasiment le même âge. Comment expliquer ces anorthosites lunaires ultra-précoces ? Lune et planètes ont été faites de l'accrétion de planétésimaux et/ou de petites planètes, petits corps en orbite autour de leur planète (dans le cas des satellites) ou du Soleil dans le cas des planètes. La chute de ces petits corps les uns sur les autres libère de l'énergie gravitationnelle, et ce d'autant plus que le corps grossit. Cette énergie réchauffe le corps en accrétion et, passée une certaine température, les corps s'accrètent fondus. À cette chaleur d'accrétion s'ajoute celle de la radioactivité à courte période, due aux éléments radioactifs venant d'être synthétisés dans les supernovæ qui ont précédé de peu la formation du système solaire. Cet état liquide des corps en formation permet la séparation du fer qui descend au centre pour former le noyau et des silicates qui vont former un océan magmatique. Mais l'accrétion et la radioactivité à courte période sont des phénomènes brefs, et ces sources de chaleur déclinent et cessent rapidement. Planètes et satellites, partiellement voire totalement fondus, se refroidissent. Cela a été le cas de la Lune. Des minéraux cristallisent dans l'océan magmatique. Les plus denses (olivines et pyroxènes) tombent et vont former le manteau lunaire. Les moins denses (plagioclases) flottent, et vont former la croûte. Juste avant la fin de la cristallisation totale, il reste un peu de liquide résiduel "coincé" entre la croûte et le manteau, liquide où se sont concentrés tous les éléments chimiques "mal à l'aise" dans le réseau cristallin des silicates (on parle d'éléments incompatibles), dont le potassium (K), les terres rares (REE = Rares Earth Eléments) et le phosphore (P). Or les impacts géants qui ont perforé la croûte lunaire ont remonté dans leurs éjectas des basaltes KREEP, justement riches en ces éléments incompatibles. La Lune est donc un extraordinaire témoin de l'histoire magmatique primordiale, histoire qui a dû arriver (avec des variantes) aux autres gros corps du système solaire, mais histoire qui a souvent été (presque) totalement effacée par l'activité géologique postérieure.

Il y a 4 Ga, le manteau de la Lune (et de Mercure) devait être entièrement solide après la cristallisation de la "dernière goutte" de KREEP. Mais il restait des sources radioactives à longue période (U, Th, ⁴⁰K) dans ce manteau. Cette production d'énergie interne a entrainé pendant au moins 1 milliard d'années sa fusion partielle locale, à l'origine d'une intense production de basalte. Ce basalte est sorti et a recouvert la croûte anorthositique solidifiée depuis longtemps. Ces basaltes sont sortis préférentiellement là où la croûte était mince, et se sont surtout accumulés dans les dépressions formées par les impacts géants qui ont eu lieu dans tout le système solaire vers -3,9/3,8 Ga. Ainsi sont nées les "mers" lunaires, et leurs équivalents sur Mercure. Dans ces "mers", quasi-exclusivement formées d'un basalte très fluide, on ne voit que très peu de volcans au sens classique du terme (montagnes avec cratères sommitaux…), mais seulement des coulées, et toutes les morphologies associées. Ces basaltes ressemblent beaucoup à leurs équivalents terrestres, mais avec de petites différence ; ils sont plus riches en titane par exemple. On connait sur la Lune quelques rares structures que l'on pourrait interpréter comme des dômes. Une différenciation sur la Lune ? Faute d'échantillons, le problème reste ouvert. Le volcanisme lunaire et mercurien semble s'être définitivement arrêté depuis 2 à 3 milliards d'années. Les causes et les contextes géodynamiques du volcanisme de la Lune et de Mercure ne sont pas bien compris.

Comme la Lune et Mercure, Mars possède une croûte dont la majeure partie semble être constituée de roches magmatiques anciennes (plus de 3,5 Ga). Mais le volcanisme a continué beaucoup plus longtemps, et a formé des édifices spectaculaires. On cite souvent Olympus Mons, le plus grand volcan du système solaire avec ses 26 km de haut pour 600 km de diamètre. Mais il y en a bien d'autres, avec des morphologies variées où abondent coulées, caldeiras… Les données spectrales effectuées par les sondes (américaines et européennes) en orbite montrent bien que les roches les plus fréquentes, en plus des roches sédimentaires, sont riches en olivine et pyroxène, donc sont très vraisemblablement des basaltes. Les robots posés à la surface ont analysé ces roches volcaniques in situ et ont bien confirmé qu'il s'agissait de basaltes sur quatre des six sites d'atterrissage (les deux autres robots se sont posés sur des sédiments). Les études effectuées au sol par le robot Spirit montrent que ce volcanisme a dû être phréato-magmatique, avec altération des basaltes par l'eau, figures montrant un caractère explosif certain… Le volcanisme martien semble éteint depuis quelques dizaines de millions d'années seulement, ce qui est très peu vis-à-vis des 4,5 Ga de Mars. Et peut-être n'est-il qu'endormi.

La dynamique interne à l'origine de ce volcanisme est encore mal comprise. En effet, bien qu'il existe de nombreuses formes tectoniques sur Mars (failles, plis…), la dynamique de Mars n'est pas de type "tectonique des plaques".

Le survol de Vénus par la sonde radar américaine Magellan (1990-1994) a révélé que 100% de la surface de Vénus était constituée de volcans, de coulées, de caldeiras, de dômes… L'âge de ce volcanisme est étonnement jeune, puisque les plus vieilles surfaces n'auraient que 500 Ma, et que le volcanisme semble encore actif. En fait, Vénus est un musée des formes volcanologiques. Il existe même un type de morphologie volcanique unique dans le système solaire : des vallées et chenaux flexueux, ressemblant étonnement à des vallées fluviatiles terrestres ou martiennes. Ces vallées seraient dues à l'érosion thermique du substratum par une coulée de lave particulièrement chaude (des komatiites ?).

S‘il fallait trouver une explication à ce volcanisme sur Vénus et à sa répartition ubiquiste, on pourrait dire que Vénus n'a pas non plus une géodynamique de type tectonique des plaques, mais que c'est un véritable champ de points chauds.

Sur la Lune et Mercure, le volcanisme est éteint depuis des milliards d'années, sur Mars depuis seulement quelques dizaines de millions d'années, et il est actif sur Vénus (et sur Terre aussi bien sûr). Pourquoi ces différences ? On peut remarquer que la durée du volcanisme est fonction de la taille du corps : la Lune (rayon R de 1738 km) et Mercure (R = 2439 km) sont petits ; Mars est de taille moyenne (R = 3400 km), la Terre (R = 6376 km) et Vénus (R = 6050 km) sont de grande taille. Pour qu'il existe un volcanisme à la surface d'un corps, il est nécessaire (bien que non suffisant) que l'intérieur de ce corps soit suffisamment chaud. Il semblerait donc que l'intérieur de Vénus et de la Terre soit plus chaud que celui de Mars, lui-même beaucoup plus chaud que celui de la Lune et de Mercure. L'énergie interne d'une planète est principalement fournie par la radioactivité naturelle. On a aucune raison de penser que la Lune et Mercure soient moins radioactifs que la Terre ou Vénus. Les teneurs en uranium, thorium et potassium 40 (en gramme/tonne) des roches de ces planètes sont a priori voisines. Alors ? La production de chaleur totale des planètes et des satellites est proportionnelle à leur volume, donc au cube de leur rayon (R³). La chaleur produite s'évacue par la surface de la planète, surface proportionnelle simplement au carré du rayon (R²). Ce qui fixe la température interne de chaque planète, c'est la 'facilité" de l'évacuation de cette chaleur. Plus le rapport volume (dans lequel se produit la chaleur) / surface (par où s'évacue la chaleur) est grand, plus la chaleur a des difficultés à s'évacuer, et plus la température interne d'équilibre à une époque donnée est élevée. Ce rapport volume/surface est fonction du rapport R³/R², c'est-à-dire fonction de R, rayon du corps. Plus une planète ou un satellite rocheux est gros, plus il est volcanique et actif. Jusqu'à il y a -3 Ga, Mercure, Lune, Mars, Vénus et Terre étaient assez chauds pour être volcaniques. Mais avec le temps, la radioactivité naturelle diminuant inexorablement, la température interne baisse. Vers -3 Ga, les températures internes de la Lune et de Mercure sont descendues sous la température critique permettant le volcanisme. Ce n'est qu'il y a quelques dizaines de millions d'années que Mars a franchi ce seuil. Quant à la Terre et Vénus, leur température interne est encore largement supérieure à cette température critique, et le volcanisme va encore y perdurer pour des milliards d'années.

Io est un satellite silicaté de Jupiter, le seul dont la surface rocheuse soit à l'affleurement (Europe est aussi un satellite silicaté, mais sa surface rocheuse est invisible car recouverte d'une centaine de kilomètres de glace ; les autres satellites, Ganymède et Callisto sont, eux, constitués d'une majorité de glace). Io a approximativement la taille (R = 1816 km) et la masse de la Lune et, comme cette dernière, devrait avoir une activité volcanique arrêtée depuis des milliards d'années. Quelle n'a pas été la surprise en 1979 quand la sonde Voyager 1 a découvert du volcanisme actif sur ce satellite. Vingt ans plus tard, la sonde Galiléo a confirmé ce fait, en dénombrant une dizaine de volcans en activité intense, avec des panaches éruptifs de plusieurs centaines de kilomètres de haut, des lacs de lave bouillonnant avec une température du magma supérieure à 1200°C. Quelle énergie chauffe un corps si petit ? Il s'agit de l'énergie des marées. Io orbite "très près" du gros Jupiter (300 fois la masse de la Terre). La présence d'autres satellites crée des variations forcées de la géométrie de son orbite, variations d'orbite qui entrainent la variation des forces de marées créées par Jupiter, variation des forces de marées qui déforment en permanence le globe de Io. Le diamètre de Io se rallonge et se raccourcit de 100 m toutes les 21h30. De telles déformations sont sources de frictions, elles-mêmes sources de chaleur. Bien qu'ayant une masse 66 fois plus faible que la Terre, Io produit (et évacue) 3 fois plus d'énergie que notre planète. Pas étonnant que ce satellite ait une activité aussi exubérante !

Dans le système solaire externe, là où la température externe est inférieure à 180°C, sur les 17 satellites majeurs des planètes géantes, 15 sont majoritairement constitués de glace. Certains ne sont pas ou peu différenciés, et sont constitués d'un mélange fer/silicates/glace. D'autres sont différenciés, avec 3 enveloppes concentriques : fer, silicates, glace. Radioactivité des silicates sous-jacents et marées peuvent suffisamment réchauffer cette glace pour la fondre localement et donner de l'eau liquide. Si celle-ci gagne la surface, on obtient un volcanisme bien particulier, dont les résultats sont des coulées de glace et des jets de vapeur se condensant immédiatement en panaches de microcristaux de glace. On parle de cryovolcanisme. Encelade, petit satellite de Saturne (250 km de rayon) est le corps pour lequel ces phénomènes sont les plus spectaculaires. La surface est intensément déformée par des mouvements internes de la couche de glace. Et par des fissures nommées sulci, qui ressemblent à des rifts, s'échappent des panaches de vapeur et d'aérosols glacés s'élevant à plusieurs centaines de kilomètres au-dessus de la surface. L'analyse de ces panaches a montré qu'ils sont constitués d'eau salée riche en molécules organiques, ce qui n'est pas sans intérêt en exobiologie.