Formation et Evolution des Surface Planétaires Cours de M2-ASEP

Formation et Evolution des Surface Plan´etaires
Cours de M2-ASEP
David Baratoux
Novembre 2010

Formation et Evolution des Surfaces Plan´etaires David Baratoux, 2009
Remerciements
Ce polycopi´e de cours est n´e d’enseignements dispens´es dans les Masters de Sciences de la Terre
et d’Astrophysique de l’Universit´e de Toulouse. Je remercie donc tout d’abord les ´etudiants qui par
leurs interventions, leurs questions, et leurs commentaires ont corrig´e, nourri et enrichi ce cours.
J’esp`ere qu’il permettra `a certains d’entre vous de se passionner pour les ph´enom`enes observ´es
`a la surface des plan`etes. Je remercie ´egalement Mike Toplis, Patrick Pinet, Marc Monnereau,
Michel Rabinowicz, Marie Calvet et Rapha¨el Garcia qui ont particip´e par leurs commentaires `a
l’´elaboration de ce cours.
Etudier la surface des plan`etes impose avant tout une connaissance toujours renouvel´ee de notre
plan`ete, la Terre. Notre connaissance des autres plan`etes, et l’interpr´etation que l’on fait de leur
surface, s’enracine dans la connaissance que nous ´elaborons `a partir des objets terrestres auquel le
plan´etologue doit sans cesse revenir, que ce soit pour l’´etude du volcanisme, des crat`eres d’impact
ou des processus s´edimentaires. En retour, l’´etude de ces autres environnements nous permet de
mieux comprendre notre plan`ete et son ´evolution. C’est donc avec une image de la Terre que
j’illustrerais ce pr´eambule, une image de la Columbia River dans l’´etat de Washington (U.S.A.).
Ce gigantesque canyon, entaill´e en tr`es peu de temps lors de la rupture d’un glacier `a la fin de
la derni`ere `ere glaci`ere met en ´evidence les trapps basaltiques ´epaisses de plusieurs centaines de
m`etres et cette formation est souvent prise pour un analogue terrestre de Mars permettant d’´etudier
les chenaux de d´ebˆacle ayant affect´e la surface de cette plan`ete il y a 3.6 milliards d’ann´ees environ.
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Formation et Evolution des Surfaces Plan´etaires David Baratoux, 2009
Table des mati`eres
Introduction........................................... 4
1 Crat`eres d’impact 5
1.1 Introduction........................................ 5
1.1.1 Surface plan´etaires et crat`eres d’impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Ondesdechocs...................................... 7
1.2.1 Rappel sur la propagation des ondes ´elastiques . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Des ondes ´elastiques aux ondes de choc: la limite de Hugoniot . . . . . . . . 10
1.2.3 Propagation des ondes de choc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.4 L’approximation de l’impact plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.5 Introduction `a la thermodynamique de l’onde de choc . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Excavation et mise en place des ´ejecta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 G´eom´etrie de l’excavation et croissance du crat`ere . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.2 Mise en place balistique des ´ejecta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.3 Analyse dimensionelle : quelques relations utiles . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4 Impacts et chronologie des surfaces plan´etaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.1 Fonction de production d’impact sur la Lune . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.2 Evolution du nombre d’impact au cours du temps . . . . . . . . . . . . . . 39
1.4.3 De la Lune `a une autre plan`ete: l’exemple de Mars . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4.4 Exemple de datations `a partir des Isochrones Martiennes . . . . . . . . . . 43
1.5 Travail personnel sur article . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.5.1 La spallation et l’origine des m´et´eorites, par H.J. Melosh . . . . . . . . . . 45
1.5.2 Chronologie des surfaces plan´etaires et comptage de crat`ere . . . . . . . . . 46
1.5.3 Crat`eres d’impact et volcanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.6 Conseilsdelecture .................................... 47
1.6.1 Ouvrage g´en´eraux sur les crat`eres d’impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.6.2 Articles scientifiques de synht`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2 Magmatisme et Volcanisme 48
2.1 Introduction........................................ 48
2.2 Rappels: Structure interne des plan`etes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.1 Quelques d´efinitions fondamentales pour l’´etude du magmatisme et volca-
nismeplan´etaire ................................. 48
2.2.2 L’´epaisseur des lithosph`eres des plan`etes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3 Sources d’´energie, origine des fluides et fusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.1 Les conditions de fusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4 Ascension des fluides silicat´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.1 Migration du magma et composition des croˆutes plan´etaires . . . . . . . . . 56
2.4.2 Migration des magmas et porosit´e des croˆutes plan´etaires . . . . . . . . . . 57
2.4.3 LecasdelaLune................................. 60
2.5 Du magmatisme au volcanisme - mise en place des laves . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.1 Volcanismeeffusif ................................ 62
2.5.2 Volcanisme explosif et ´el´ements volatils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
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Formation et Evolution des Surfaces Plan´etaires David Baratoux, 2009
2.5.3 Stylesd’´erution.................................. 68
2.6 Conseils de lectures - A compl´eter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.1 Ouvrages g´en´eraux / vulgarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.2 Aspects fondamentaux / volcanologie physique . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.3 Volcanisme sous-glaciaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
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Formation et Evolution des Surfaces Plan´etaires David Baratoux, 2009
Introduction
L’objectif de ce cours est de d´ecrire les processus physiques qui affectent les surfaces plan´etaires.
Ces processus seront pr´esent´es en trois parties. La premi`ere partie s’int´eresse aux crat`eres d’impact
r´esultant du bombardement par des objets pr´esents dans le syst`eme solaire, ast´ero¨ıdes ou com`etes.
Pour les plan`etes dont la chaleur a ´et´e perdue rapidement en raison de leur taille, et dont l’activit´e
g´eogologique li´ee `a la dynamique interne s’est ´eteinte rapidement `a la suite de leur accr´etion, c’est
la processus principal qui affecte l´evolution des croˆutes plan´etaires. Dans une deuxi`eme partie,
nous aborderons les processus magmatiques et volcaniques. Nous nous int´eresserons aux condi-
tions n´ecessaires `a la fusion des roches du manteau des plan`etes, `a l’ascenscion de ces liquides,
et `a leur mise en place en surface. Nous aborderons ainsi les processus volcaniques, explosifs o`u
effusifs, en fonction des ´el´ements volatils, eau ou gaz carbonique, dissous dans le magma. Enfin,
j’ai regroup´e dans une derni`ere partie les processus de transport qui r´esultent principalement de la
pr´esence d’une atmosph`ere voire, d’une hydrosph`ere et/ou crysoph`ere. Le moteur de ces processus
de transport est `a la gravit´e `a la surface de plan`ete. Nous aborderons dans cette partie le trans-
port fluviatile, glaciaires, ´eoliens, les glissements de terrain etc...Cela nous permettra de donner
quelques notions de physique des milieux granulaires, car ces processus de transport sont fortement
contrˆol´es par la tailles des ´el´ements transport´es. Ils affectent ´egalement ces distribution en taille
(granoclassement), et nous verrons comment les tailles de grains peuvent aider `a reconnaˆıtre et
discuter les m´ecanismes de transport `a la surface des plan`etes.
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