Europe vue par la sonde spatiale Juno lors d’un survol effectué le 29 septembre 2022. (Crédit : NASA/JPL/SwRI/MSSS, traitement d’image : Kevin M. Gill)
Des modélisations numériques montrent que la surface glacée d’Europe, le deuxième satellite galiléen de Jupiter, pourrait être le siège d’épisodes de subduction périodiques. Ce processus est cependant très différent de la subduction terrestre associée à la tectonique des plaques.
La tectonique des plaques, qui décrit la dynamique et la déformation de l’enveloppe externe rigide d’une planète (sa lithosphère), n’a, jusqu’à présent, été observée que sur Terre. Vénus, Mars et la Lune n’en sont pas animées, même si leurs surfaces, parsemées de failles, fossés et autres escarpements, témoignent qu’une activité tectonique différente de celle des plaques y est ou y a été à l’œuvre. De retour sur Terre, le phénomène de subduction, qui correspond à la plongée dans le manteau de pans entiers de planchers océaniques devenus trop lourds, joue un rôle clé dans la tectonique des plaques. Il se traduit par la destruction d’une partie de la croûte, mais cette perte est intégralement compensée par la création de nouvelles portions de croûte au niveau des dorsales océaniques, véritables chaînes volcaniques sous-marines. Au final, la superficie de la surface terrestre reste donc inchangée.
Une tectonique des plaques sur Europe ?
Depuis une dizaine d’années, c’est un autre objet, Europe, que l’on soupçonne d’être animé de tectonique des plaques. Europe est le deuxième des satellites galiléens de Jupiter en partant de cette planète. Son rayon est d’environ 1 560 km, et sa structure radiale se compose d’un gros noyau rocheux (de l’ordre de 1 400 km de rayon) entouré d’un océan et d’une couche de glace externe. L’ensemble océan-couche de glace forme l’hydrosphère, et son épaisseur (160 km) est relativement bien contrainte. En revanche, l’épaisseur de la couche de glace externe (ou, ce qui revient au même, celle de l’océan souterrain) n’est pas connue. Les modèles d’évolution thermique la situent généralement entre 20 et 50 km, mais elle pourrait avoir été beaucoup plus fine dans le passé. Nous y reviendrons. Si Europe apparaît comme un bon candidat pour abriter une tectonique des plaques, c’est que sa surface est tectoniquement très active, mais également très jeune : les clichés pris par les sondes spatiales qui ont survolé le satellite ont ainsi révélé des réseaux de rayures et de bandes plus ou moins sombres dont l’origine reste énigmatique, des régions à l’apparence plus chaotique qui pourraient être liées à une activité cryovolcanique (fig. 1), et très peu de cratères d’impact, cette dernière propriété situant l’âge de la surface d’Europe entre 40 et 90 millions d’années (Ma).
Fig 1. Les terrains chaotiques d’Europe. Ces régions se caractérisent par la présence de nombreuses structures telles que des crêtes, des fossés, des petits dômes, etc., dont l’origine n’est pas encore comprise. Comme le reste de la surface d’Europe, elles témoignent cependant d’une activité tectonique intense et récente, l’âge de la surface d’Europe étant estimé entre 40 et 90 millions d’années. (Crédit : NASA/JPL-Caltech/SETI Institute)
En 2014, une équipe de géologues américains a avancé l’hypothèse que certaines de ces structures (en particulier les bandes sombres) seraient des zones de compression et qu’elles témoigneraient de la subduction de petits morceaux de la croûte d’Europe selon un mécanisme semblable à la subduction des planchers océaniques terrestres. Cette hypothèse se heurte toutefois à plusieurs difficultés, notamment l’intensité trop faible des forces susceptibles d’entretenir une tectonique des plaques sur Europe. Une équipe de géophysiciens de l’université Charles de Prague et du Laboratoire de planétologie et de géodynamique de l’université de Nantes vient, sur la base de modélisations numériques, de proposer un autre scénario [1]. Selon cette étude, Europe pourrait effectivement être le siège de phénomènes de subduction, mais suivant un mécanisme lié à des épisodes cycliques de croissance et de fonte de la couche de glace externe.
Compression et subduction
Les simulations réalisées par les chercheurs de l’université Charles et de l’université de Nantes comportent deux phases. Dans un premier temps, ils ont modélisé le comportement d’une couche de glace soumise à des forces de compression horizontales. Détail important, la rhéologie de la glace (c’est-à-dire sa capacité à se déformer) imposée dans ces calculs permet de séparer la couche de glace en deux parties : une partie rigide (ou cassante) située au sommet et qui modélise en quelque sorte la lithosphère ; et, sous cette lithosphère, une partie plus souple, qui peut être animée d’un écoulement visqueux sur de longues échelles de temps. Les simulations montrent alors que, si l’épaisseur de la couche de glace est inférieure à 10 km, la déformation liée aux forces de compression conduit à l’engloutissement (la subduction) d’une partie de l’enveloppe de glace superficielle (fig. 2). Dans un premier temps, la compression provoque la formation d’une paire de failles au sommet de la couche de glace. Toute la déformation subie par cette couche se focalise sur ces deux failles, ce qui permet à la glace située en surface d’y glisser lentement et de s’y accumuler. Ce matériau est progressivement englouti à l’intérieur de la couche de glace et poursuit sa descente jusqu’à la base de celle-ci, l’ensemble du processus durant environ 2 millions d’années. À l’inverse, si l’épaisseur de la couche de glace est supérieure à 10 km, plusieurs systèmes de failles se forment. La déformation se répartit sur ces différentes failles, ce qui permet à la glace de s’y accumuler, sans que la déformation soit suffisante pour enclencher un processus de subduction.
Fig 2. Simulations numériques modélisant l’évolution d’une couche de glace soumise à des forces de compression horizontales. Le code de couleur représente le 2d invariant du tenseur des contraintes, qui est une mesure de l’amplitude de ces contraintes. En réponse à une compression, des systèmes de failles se forment dans la couche de glace. Si la couche de glace est relativement épaisse, plus de 10 km (colonne de droite ; à noter que sur cette image l’épaisseur totale est tronquée), plusieurs systèmes de failles apparaissent au centre et sur les bords. La glace de surface (fine couche orange) glisse vers ces régions et s’y accumule, mais la déformation n’est pas suffisante pour enclencher un phénomène de subduction. En revanche si la couche de glace est plus fine (à gauche) une seule paire de failles apparaît (au centre). La déformation de la couche de glace se concentre autour de ce système, ce qui permet à la glace de surface de glisser vers cette région, de s’y accumuler et, à terme, de descendre jusqu’à la base de la couche de glace par subduction. Les flèches noires délimitent les zones de compression, la largeur de ces zones (en km) étant indiquée par le nombre inséré entre ces flèches. (Crédit : M. Kihoulou et al., 2025)
Comme les auteurs de cette étude le soulignent, ce processus se démarque clairement de la subduction terrestre. Dans ce dernier cas, en effet, c’est le poids des planchers océaniques, devenus trop lourds et donc trop denses par rapport au milieu environnant, qui déclenche leur descente dans le manteau et qui leur permet de poursuivre cette descente. Toujours dans le cas de la Terre, la subduction joue un rôle moteur dans la tectonique des plaques en tirant le reste des planchers océaniques vers les zones de subduction (ce que les géophysiciens désignent par le terme de slab pull). Dans le cas d’Europe, en revanche, le poids de la glace superficielle n’intervient pas et son excès de masse volumique est trop faible pour amorcer un mouvement descendant. Ce dernier est enclenché et entretenu par les forces de compression appliquées sur un temps long. Voilà qui pose la question de l’origine de ces forces.
Évolution orbitale et rétrécissement de la couche de glace
Selon Martin Kihoulou et ses collègues, les forces résulteraient de la contraction de la couche de glace externe lors d’un épisode de fonte. Comme nous l’avons dit, l’épaisseur actuelle de cette couche se situerait entre 20 et 50 km, ce qui exclut a priori que des phénomènes de subduction puissent s’y produire. Toutefois, elle a certainement beaucoup varié au cours du temps. Sur le très long terme, la couche de glace s’est épaissie en réponse au refroidissement d’Europe. À cela sont probablement venues se greffer des phases cycliques de fonte et de cristallisation liées aux variations de l’excentricité de l’orbite d’Europe, elles-mêmes dues à des phénomènes de résonance orbitale avec les autres satellites de Jupiter. Ces variations modulent la quantité de chaleur dissipée par les forces de marée à l’intérieur d’Europe : plus l’excentricité est élevée, plus la chaleur dissipée est importante. Aujourd’hui, l’excentricité d’Europe est relativement faible (0,0094), mais par le passé, elle a pu atteindre des valeurs suffisantes pour que la chaleur dissipée ait provoqué la fonte partielle de la couche de glace à partir de sa base [2]. L’eau diminue de volume lorsqu’elle passe de l’état solide à l’état liquide, la fonte de la couche de glace provoque à son tour une diminution du volume total de l’hydrosphère (qui regroupe la couche de glace et l’océan), et donc du rayon d’Europe. Autrement dit, la couche de glace ne se contente pas de s’amincir, elle subit également une contraction, laquelle s’accompagne de… forces de compression.
Pour tester ce scénario, les chercheurs de l’université Charles et de l’université de Nantes ont réalisé une deuxième série de simulations dans laquelle ils ont modélisé l’évolution de la couche de glace d’Europe, ainsi que des contraintes auxquelles elle est soumise, en fonction des variations de l’excentricité de ce satellite. Ces calculs montrent qu’une augmentation de l’excentricité se traduit effectivement par un amincissement rapide de la couche de glace accompagné d’une diminution du rayon d’Europe de quelques kilomètres et de l’apparition d’intenses forces de compression. Ils confortent ainsi l’idée que par le passé, un mécanisme de subduction a sans doute été à l’œuvre sur Europe, et que ce mécanisme permet de renouveler périodiquement une partie de la surface de cet objet. Précisons toutefois que les variations de l’excentricité d’Europe restent très mal connues, et sont sans doute assez complexes. Notons enfin que la subduction par contraction n’est pas compensée par la création de croûte en d’autres endroits, ce qui constitue une différence supplémentaire par rapport à la subduction terrestre, qui est, elle, équilibrée par la création de croûte océanique au niveau des dorsales.
Fig 3. Évolution de l’excentricité et de l’épaisseur de la couche de glace (en haut) et des contraintes latérales dans cette couche (en bas ; code de couleur). Les forces de compression et d’extension apparaissent respectivement en rouge et en bleu. La figure du bas représente également l’évolution du rayon total d’Europe et du rayon de la base de la couche de glace. (Crédit : M. Kihoulou et al., 2025)
En guise de conclusion, les auteurs de cette étude notent que la subduction d’une partie de la glace superficielle permettrait d’approvisionner l’océan souterrain en molécules telles que le dioxygène (O2), le dioxyde de carbone (CO2), ou encore le dioxyde de soufre (SO2) ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2) présentes en surface. Par ailleurs, la fonte de la couche de glace qui rend possible cette subduction étant liée à un accroissement de la chaleur dissipée par les forces de marée, elle est vraisemblablement accompagnée d’une augmentation de l’activité hydrothermale et/ou volcanique au sommet du noyau rocheux. La conjonction de ces deux événements pourrait, à son tour, favoriser le démarrage de réactions chimiques complexes dans l’océan souterrain d’Europe.
Article écrit par Frédéric Deschamps, IESAS, Taipei, Taïwan
Notes :
- Kihoulou M. et al., « Subduction-like process in Europa’s ice shell triggered by enhanced eccentricity periods », Science Advances, 11, 2025, eadq8719. doi : 10.1026/sciadv.adq8719.
- Rappelons en effet que la température de fusion de la glace d’eau diminue à mesure que la pression, et donc la profondeur, augmentent. Lorsque la température de la couche de glace augmente, par exemple sous l’effet de la dissipation de chaleur par les forces de marée, c’est la base de la couche de glace qui est affectée en premier par la fusion.
