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Internal planetary dynamics

Si d'autres planètes que la Terre ont déjà fait l'objet de travaux dans le thème "Terre et Planètes" (étude de la surface et croûte de Mars en cours, étude des glaces sous haute pression dans le contexte des satellites de glace), nous affichons la volonté de nous engager plus avant dans cette voie et d'apporter notre contribution à l'étude de la dynamique interne des corps planétaires de notre système solaire et des exo-planètes. Des compétences de traitement des informations satellitaires existent dans le thème (projet ERC "e-Mars" de C. Quantin), et les observations d'exoplanètes vont aller croissant. La connaissance de ces objets fascine, notamment pour la probabilité qu'ils constituent un environnement habitable. Nous pouvons contribuer à la connaissance de ces objets, considérant leur composition supposée (en mesurant la métallicité de leur étoile), leur diamètre, leur âge, etc, en proposant une structure interne et une dynamique cohérentes qui reposent sur des équations d'état que nous pourrons déterminer. On peut anticiper que d'autres types d'informations deviennent également disponibles dans un futur proche, par exemple la détermination du champ magnétique des exoplanètes. Cet élément d'information apportera une contrainte sur la structure du noyau de la planète dont une partie au moins devra être liquide dans le cas où un champ magnétique serait détecté.

 
Figure 3. Minéralogie et propriétés physiques de la glace (ici la densité relative à la phase liquide). La structure et la dynamique internes des satellites de glace (comme Ganymède) restent à élucider.
 

La dynamique interne des super-Terres mérite qu'on y prête attention. Il s'agit d'une autre source de motivation pour l'étude de la minéralogie sous très hautes pressions, mais également des propriétés de transfert (conductivité thermique ou électrique) dans la poursuite d'études déjà menées sur la conductivité du fer. Les effets dissipatifs de la convection prennent de plus en plus d'ampleur à mesure que la matière est davantage comprimée. La dynamique mantellique d'une super-Terre devra nécessairement incorporer les effets dissipatifs qui vont probablement induire d'importantes quantités de fusion partielle. La problématique de la tectonique des plaques, si importante pour la dynamique du manteau terrestre, devra être repensée pour les exo-planètes. Les approches développées au laboratoire sur le manteau profond permettent de penser que le manteau d'une super-Terre pourrait être en partie liquide et en partie solide, avec des conséquences planétologiques que l'on peut déterminer (phénomènes de marées, forçage précessionnel, refroidissement séculaire.

Au laboratoire, des approches globales (taille de grain, mûrissement, endommagement) et des approches locales (serpentinisation, rôle de l'eau, circulation profonde des fluides) ont été et continueront d'être utilisées pour comprendre l'origine et la persistance de la tectonique des plaques sur Terre. Le projet "Augury" (ERC de N. Coltice) réalisera une assimilation des données (essentiellement tectoniques) pour déterminer la convection dans le manteau. De plus la tectonique des plaques qui recycle constamment la croûte introduit des hétérogénéités chimiques dans le manteau. Nous continuerons de mettre en oeuvre au laboratoire des outils (tomographie des ondes S, tomographie de l'atténuation) qui permettent de déterminer et quantifier ces hétérogénéités. Quelles sont les conditions nécessaires pour que la tectonique existe sur d'autres planètes ? Quelle signature peut-elle laisser en surface ? Ces questions doivent également être posées dans le cadre des recherches d'un autre thème du laboratoire ("Vie primitive") et du lien qui peut exister entre la tectonique et l'émergence de la vie.

Dans le système solaire, les satellites de glace peuvent également constituer des régions habitables. Nous poursuivrons les études commencées sur l'équation d'état de la glace sous ses différentes phases (selon la pression) en fonction de sa composition. Il est important de déterminer si la convection (thermogravitaire ou solutogravitaire) à travers les différentes couches de glace et d'eau liquide assure un contact efficace entre le noyau silicaté et ces couches. La question de l'existence d'une convection et de la différenciation du noyau silicaté hydraté de ces corps est abordée dans la suite des études expérimentales sur les propriétés physiques des silicates hydratés et de la serpentinisation.   

 
Strengths
1. La multidisciplinarité du thème “Terre et Planètes” constitue une force : géochimie, minéralogie, dynamique interne, sismologie, planétologie. 2. Reconnaissance scientifique : ERC, ANR, autres prix. 3. Attaches fortes avec deux établissements d'enseignement supérieurs l'université Lyon 1 et l'ENS de Lyon.  4. Rattachement à l'Observatoire de Lyon et au labex LIO. 
Opportunities
1. Engouement du public pour l'origine de la vie, les exoplanètes et les missions spatiales vers les planètes et satellites du système solaire. 2. Perspectives de collaborations accrues avec les astrophysiciens dans le cadre de l'Observatoire de Lyon. 3. Applications des méthodes de la géochimie à l'archéologie et à la médecine.