The split fate of the early Earth, Mars, Venus, and Moon

Plate tectonics shaped the Earth, whereas the Moon is a dry and inactive desert, Mars probably came to rest within the first billion years of its history, and Venus, although internally very active, has a dry inferno for its surface. Here we review the parameters that determined the fates of each of these planets and their geochemical expressions. The strong gravity field of a large planet allows for an enormous amount of gravitational energy to be released, causing the outer part of the planetary body to melt (magma ocean), helps retain water on the planet, and increases the pressure gradient. The weak gravity field and anhydrous conditions prevailing on the Moon stabilized, on top of its magma ocean, a thick buoyant plagioclase lithosphere, which insulated the molten interior. On Earth, the buoyant hydrous phases (serpentines) produced by reactions between the terrestrial magma ocean and the wet impactors received from the outer solar system isolated the magma and kept it molten for some few tens of million years. The planets from the inner solar system accreted dry: foundering of wet surface material softened the terrestrial mantle and set the scene for the onset of plate tectonics. This very same process also may have removed all the water from the surface of Venus and added enough water to its mantle to make its internal dynamics very strong and keep the surface very young. Because of a radius smaller than that of the Earth, not enough water could be drawn into the Martian mantle before it was lost to space and Martian plate tectonics never began. The radius of a planet is therefore the key parameter controlling most of its evolutional features.

RésuméLa tectonique des plaques a donné ses formes à la Terre, alors que la Lune est devenue un désert sec et pétrifié, que l’évolution interne de Mars s’est probablement arrêtée au bout d’un milliard d’années et que la surface de Vénus, à l’activité interne très active, ressemble à un enfer sec. Dans cet article, nous passons en revue les différents paramètres qui ont déterminé le devenir de chacune de ces planètes et leurs spécificités géochimiques. L’existence d’un champ de gravité fort sur une planète résulte en la dissipation d’une quantité énorme d’énergie gravitationnelle, entraînant la fusion du sommet du manteau de la planète (océan magmatique). Il aide ainsi à retenir l’eau et crée un fort gradient de pression interne. La faible gravité et l’absence d’eau à la surface de la Lune ont entraîné la stabilisation et la flottation, à la surface de son océan magmatique, d’une lithosphère isolante épaisse, formée de plagioclase. Dans le cas de la Terre, l’océan magmatique a été isolé par une croûte hydratée et a pu ainsi rester fondu pendant quelques dizaines de millions d’années. Les minéraux hydratés légers (serpentines) sont produits par l’interaction de l’eau apportée par des impacteurs riches en glace avec l’océan magmatique. Alors que l’eau est en grande partie perdue lors de l’accrétion des planètes du système solaire interne, l’accumulation de matériel hydraté à la surface de la Terre a changé la rhéologie de son manteau et mis en place les conditions favorables à l’apparition de la tectonique des plaques. Toute l’eau présente à la surface de Vénus a sans doute été perdue et transférée dans le manteau par le même processus, donnant ainsi une planète avec une forte activité interne et une surface continuellement renouvelée. De par son rayon plus petit que la Terre, Mars n’a pas pu accumuler dans son manteau autant d’eau avant qu’elle ne s’échappe vers l’espace, de sorte que la tectonique des plaques n’a jamais pu commencer. Le rayon d’une planète est donc le paramètre clé qui détermine pour l’essentiel son devenir.