La différenciation interne représente ainsi l'un des principaux processus organisateurs de l'évolution planétaire. Elle permet de comprendre pourquoi les corps du Système solaire présentent une telle diversité. Les différences entre Mercure, Vénus, la Terre, Mars, la Lune, Vesta, les astéroïdes primitifs, les satellites glacés et les planètes géantes et les planètes géantes elles-mêmes sont le produit de trajectoires thermiques et chimiques distinctes. Deux corps possédant des compositions voisines peuvent évoluer différemment si leur masse, leur vitesse d'accrétion, leur teneur en éléments radioactifs ou leur histoire collisionnelle diffèrent.

Le procesus de différenciation.
Il y a environ 4,567 milliards d'années, le Système solaire se forme à partir d'un disque protoplanétaire issu de l'effondrement gravitationnel d'une région dense d'un nuage moléculaire. Les matériaux solides qui se condensent dans ce disque s'agrègent progressivement pour former des planétésimaux, puis des embryons planétaires et finalement les planètes. Les premiers corps sont donc construits à partir de matériaux qui ne sont pas nécessairement chimiquement homogènes. La température varie fortement avec la distance au Soleil, les compositions minéralogiques dépendent des conditions de condensation et les différents matériaux sont incorporés dans des proportions variables. La différenciation interne intervient ensuite lorsque l'énergie disponible permet une mobilité suffisante des constituants pour que les matériaux de densités différentes se séparent.

La pesanteur constitue la force fondamentale de cette séparation. Un matériau dense tend à migrer vers le centre du corps tandis que les matériaux moins denses se concentrent vers les régions externes. Mais cette ségrégation gravitationnelle ne peut devenir efficace que si les matériaux possèdent une certaine mobilité. Un corps totalement froid et rigide peut théoriquement présenter des différences de composition, mais celles-ci resteront largement héritées de son assemblage initial. À l'inverse, un corps partiellement ou fortement fondu peut connaître une séparation extrêmement efficace entre phases métalliques et silicatées. La différenciation est donc le résultat de l'interaction entre pesanteur, température, pression, composition chimique, viscosité et changements de phase.

Plusieurs sources d'énergie peuvent provoquer ou favoriser la fusion des corps planétaires : 

• L'énergie gravitationnelle libérée lors de leur accrétion. Chaque impact convertit une partie de l'énergie cinétique en chaleur. Dans les phases les plus intenses de l'accrétion planétaire, cette contribution peut devenir considérable. Une partie de l'énergie potentielle gravitationnelle est également transformée en chaleur lorsque les matériaux se compactent et migrent vers le centre. 

• La désintégration radioactive d'isotopes à courte période, notamment l'aluminium 26. Cet isotope joue un rôle particulièrement important dans les premiers millions d'années du Système solaire. Sa désintégration rapide (demi-vie d'environ 717 000 ans)  produit une quantité importante de chaleur dans les petits corps formés précocement. Le fer 60 (demi-vie d'environ 2, 62 millions d'années) a également contribué au chauffage des premiers objets, bien que son importance relative fasse encore l'objet de discussions selon les scénarios d'origine. 

• Les impacts géants peuvent aussi fournir des quantités considérables d'énergie thermique et mécanique, capables de provoquer une fusion partielle ou généralisée.

La différenciation métallique-silicatée constitue ainsi l'un des mécanismes les plus importants. Dans un corps partiellement fondu, des gouttelettes ou des diapirs de métal liquide peuvent traverser le matériau silicaté. Selon la viscosité du milieu, la taille des gouttes, la perméabilité du réseau rocheux et le degré de fusion, le métal peut s'accumuler progressivement au centre ou former des écoulements beaucoup plus rapides. Lorsque la fusion devient importante, le comportement peut se rapprocher de celui d'un océan magmatique : les phases métalliques sédimentent vers le centre tandis que les silicates relativement moins denses restent au-dessus. Le noyau se constitue alors par accumulation de métal, tandis que le manteau se forme à partir des silicates résiduels.

La composition du noyau dépend cependant fortement des conditions physico-chimiques de la différenciation. Ainsi, le noyau terrestre contient principalement du fer et du nickel, associés à des éléments légers tels que le soufre, le silicium, l'oxygène, le carbone et probablement l'hydrogène dans certaines proportions. Ces éléments modifient la densité, le point de fusion et les propriétés électriques du métal. La proportion d'éléments légers incorporée dans le noyau dépend notamment de l'état d'oxydation des matériaux primitifs, de la température et de la pression au moment de la ségrégation métal-silicate. La composition du noyau constitue donc une archive des conditions chimiques qui régnaient lors de la formation de la planète.

La différenciation silicatée est tout aussi importante. Une fois le métal séparé, le manteau ne reste pas nécessairement homogène. La cristallisation d'un océan magmatique peut entraîner une succession de minéraux dont les densités et les compositions diffèrent. Les premiers cristaux formés peuvent être plus ou moins denses que le liquide résiduel. Selon leur densité, ils peuvent couler vers les profondeurs ou rester en suspension. La cristallisation fractionnée modifie progressivement la composition du magma résiduel. Des éléments incompatibles, c'est-à-dire des éléments qui entrent difficilement dans les structures cristallines des minéraux précoces, ont tendance à se concentrer dans les liquides résiduels. Cette évolution peut conduire à une organisation chimique verticale complexe.

La différenciation interne dépend ainsi d'un ensemble de paramètres interdépendants. La masse détermine la pression et la capacité du corps à conserver sa chaleur. Le rayon influence le rapport surface/volume et donc la vitesse du refroidissement. La composition initiale contrôle la température de fusion, la densité et les propriétés des phases. Le degré d'oxydation détermine notamment la quantité de fer métallique susceptible de former un noyau. La présence d'eau et de composés volatils modifie les températures de fusion et les propriétés rhéologiques. L'âge de formation détermine l'importance du chauffage radiogénique. Enfin, les collisions peuvent modifier brutalement la structure déjà différenciée d'un corps.

L'état d'oxydation mérite une attention particulière. Dans des matériaux fortement oxydés, une proportion importante du fer se trouve sous forme de Fe²⁺ intégré aux silicates, ce qui limite la quantité de fer métallique disponible pour constituer un noyau. Dans des matériaux plus réduits, une proportion importante du fer peut rester sous forme métallique et participer à la formation d'un noyau. La diversité des compositions des astéroïdes et des météorites suggère donc que les corps planétaires se forment à partir de réservoirs chimiquement variés. La taille du noyau d'un corps constitue en partie la conséquence de cette histoire chimique initiale.

La différenciation peut également produire une séparation des éléments selon leur affinité chimique. Les éléments sidérophiles ont tendance à se concentrer dans les phases métalliques et sont donc fortement enrichis dans les noyaux. Les éléments chalcophiles présentent une affinité particulière pour les sulfures. Les éléments lithophiles restent préférentiellement dans les phases silicatées. Les éléments atmophiles et certains éléments volatils se concentrent quant à eux dans les enveloppes externes ou sont perdus vers l'espace. Cette partition géochimique constitue l'un des fondements de la géochimie planétaire.

La différenciation interne est donc également une différenciation géochimique. Elle sépare des réservoirs possédant des compositions distinctes et modifie profondément les concentrations relatives des éléments. Le noyau devient un réservoir d'éléments sidérophiles et certains éléments légers, le manteau concentre les éléments lithophiles, tandis que la croûte devient progressivement enrichie en éléments incompatibles. L'atmosphère et l'hydrosphère constituent ensuite des réservoirs supplémentaires pour les éléments volatils. Le système planétaire peut ainsi être considéré comme un ensemble de réservoirs couplés dont les compositions évoluent continuellement.

Les processus magmatiques amplifient cette différenciation. Lorsqu'un manteau fond partiellement, le liquide produit n'a pas la même composition que la roche source. Certains éléments entrent préférentiellement dans le liquide, tandis que d'autres restent dans les cristaux. Les magmas peuvent ensuite subir une cristallisation fractionnée, une assimilation de roches encaissantes et un mélange avec d'autres magmas. La croûte résultante devient donc progressivement différente du manteau dont elle provient. Sur Terre, cette différenciation crustale est particulièrement avancée dans les continents, où plusieurs épisodes de fusion, de cristallisation et de recyclage se sont succédé pendant des milliards d'années.

La convection joue ensuite un rôle essentiel dans la redistribution de la chaleur et de la matière. Dans un manteau suffisamment chaud, les matériaux chauds et moins denses montent tandis que les matériaux refroidis et plus denses descendent. Cette convection ne détruit pas nécessairement la différenciation initiale; elle peut au contraire la modifier et la complexifier. Les plaques lithosphériques terrestres permettent notamment le transfert de matériaux crustaux vers le manteau par subduction. Des éléments précédemment concentrés dans la croûte retournent alors vers l'intérieur de la planète. La différenciation et le recyclage fonctionnent donc simultanément.

Les transitions de phase constituent un autre mécanisme majeur. À mesure que la pression et la température augmentent, les minéraux changent de structure cristalline. Ces transformations modifient leur densité et leur comportement rhéologique. Elles peuvent donc influencer la convection et éventuellement créer des barrières relatives à la circulation mantellique. Dans les grandes planètes, les transitions de phase sont suffisamment nombreuses pour produire une architecture interne très complexe. La structure d'un corps planétaire ne peut donc être comprise sans considérer simultanément composition, pression et température.

La différenciation est également couplée à l'évolution du champ magnétique. Lorsqu'un noyau métallique liquide possède une convection suffisante, les mouvements du fluide conducteur peuvent générer un champ magnétique global. Le refroidissement du corps modifie progressivement cette dynamique. La solidification du noyau interne terrestre fournit aujourd'hui une source supplémentaire d'énergie au noyau externe. Dans les corps plus petits, le refroidissement peut conduire à l'arrêt de la convection du noyau et donc à la disparition de la dynamo globale. L'évolution du champ magnétique constitue ainsi un indicateur indirect de l'évolution thermique de l'intérieur.

Il faut encore distinguer ici différenciation primaire et différenciations secondaires. La différenciation primaire correspond principalement à la séparation initiale des grandes enveloppes internes lors de la formation et de la fusion du corps. Les différenciations secondaires résultent des processus ultérieurs : cristallisation du manteau, formation de la croûte, fusion partielle, métamorphisme, circulation hydrothermale, subduction, impacts, dévolatilisation et altération. Un corps peut donc être fortement différencié dès son origine puis connaître plusieurs milliards d'années de remaniements qui rendent sa structure actuelle beaucoup plus complexe.

Les impacts géants peuvent notamment perturber profondément une structure différenciée. Une collision suffisamment énergétique peut fracturer la croûte, mélanger le manteau et même arracher une fraction importante des matériaux superficiels. Dans certains cas, elle peut entraîner une perte préférentielle des silicates et augmenter relativement la proportion métallique du corps résiduel. Dans d'autres, elle peut mélanger temporairement des matériaux provenant de régions internes et externes. Les collisions constituent donc à la fois des mécanismes de construction et de destruction de la différenciation.

Les corps rocheux.
La Terre.
Dans le cas terrestre, les premiers stades de la différenciation pourait avoir comporté un ou plusieurs océans magmatiques globaux ou régionaux. La Terre primitive est fortement chauffée par l'accrétion, la désintégration radioactive et les collisions géantes. La formation de la Lune à la suite d'un impact géant, selon le scénario actuellement privilégié, constitue un épisode particulièrement énergétique. Une fraction importante du manteau terrestre primitif a pu être fondue ou profondément remaniée. Le refroidissement progressif permet ensuite la cristallisation des silicates, la formation d'une croûte primitive et l'établissement d'un système de convection mantellique.

La différenciation interne se poursuit pendant des milliards d'années sous l'action de la convection, des changements de phase minéralogiques, de la fusion partielle, de la cristallisation et de la circulation des éléments chimiques. Le manteau terrestre actuel présente ainsi une structure minéralogique fortement contrôlée par la pression. Dans le manteau supérieur dominent notamment les assemblages à base d'olivine et de pyroxènes. À plusieurs centaines de kilomètres de profondeur, l'augmentation de la pression provoque des transformations polymorphiques de l'olivine, donnant notamment naissance à des phases telles que la wadsleyite et la ringwoodite. Plus profondément encore, les phases stables deviennent principalement la bridgmanite et la ferropericlase. Ces transformations ne correspondent pas nécessairement à des changements de composition chimique globale, mais elles produisent une différenciation minéralogique contrôlée par la pression.

La Terre possède ainsi une différenciation particulièrement poussée. Son noyau métallique se divise en un noyau externe liquide et un noyau interne solide. Le noyau externe est principalement constitué de fer liquide allié à des éléments légers. Sa convection est à l'origine du champ magnétique terrestre par effet dynamo. Le noyau interne, solide, cristallise progressivement à partir du noyau externe au fur et à mesure du refroidissement de la planète. Cette cristallisation libère de la chaleur latente et rejette préférentiellement certains éléments légers dans le noyau externe, ce qui contribue à entretenir la convection. La différenciation interne demeure donc un processus actif : la structure actuelle du noyau résulte d'une évolution thermodynamique continue.

Au-dessus du noyau se trouve le manteau, constitué principalement de silicates riches en magnésium et en fer. Le manteau terrestre est lui-même différencié entre manteau inférieur et manteau supérieur sur le plan minéralogique et rhéologique. La lithosphère constitue une enveloppe froide et rigide relativement superficielle, comprenant la croûte et la partie supérieure du manteau. Sous celle-ci se trouve l'asthénosphère, plus chaude et susceptible de subir une déformation ductile à l'échelle géologique. La croûte continentale possède par ailleurs une composition très différente de celle du manteau et de la croûte océanique. Elle résulte en grande partie de processus de fusion partielle et de différenciation magmatique qui ont progressivement extrait des matériaux relativement riches en silicium, aluminium, sodium et potassium.

La croûte océanique est elle aussi un produit de la différenciation. Elle se forme principalement par fusion partielle du manteau sous les dorsales océaniques. Les magmas basaltiques produits remontent, se différencient éventuellement dans des chambres magmatiques et cristallisent pour donner des assemblages qui comprenent notamment des plagioclases, des pyroxènes et des olivines. La fusion partielle laisse derrière elle un manteau résiduel dont la composition diffère du matériau initial. La Terre possède ainsi une différenciation chimique dynamique qui se poursuit à travers le cycle de la lithosphère, la subduction, le magmatisme et le recyclage mantellique.

Mars.
Mars présente également une différenciation interne importante, mais son histoire thermique est différente de celle de la Terre. Les données géophysiques indiquent l'existence d'un noyau riche en fer avec une proportion importante d'éléments légers, entouré d'un manteau silicaté et d'une croûte. La taille plus faible de Mars a entraîné un refroidissement plus rapide que celui de la Terre. Son activité volcanique et tectonique a donc décru relativement tôt, même si certains processus volcaniques persistent pendant une période très longue. La présence ancienne d'un champ magnétique global indique également que Mars a possédé dans son passé une dynamo fonctionnant dans son noyau. L'arrêt de cette dynamo a traduit une modification profonde de l'état thermique et dynamique de l'intérieur martien.

Mercure.
Mercure possède un noyau métallique extrêmement volumineux par rapport à son rayon, représentant une fraction exceptionnellement importante de son volume intérieur. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer cette forte proportion métallique. Elle pourrait résulter de conditions particulières de formation dans la région interne du Système solaire, de pertes préférentielles de silicates lors de collisions géantes ou de processus d'évaporation et de fractionnement associés à des températures élevées. La structure actuelle de Mercure comprend donc une croûte et un manteau silicatés relativement minces surmontant un noyau métallique massif. La planète possède encore un champ magnétique global, ce qui indique que son noyau externe demeure au moins partiellement liquide.

Vénus.
Vénus possède probablement un noyau métallique, un manteau silicaté et une croûte. Sa taille et sa masse sont proches de celles de la Terre, mais l'absence de tectonique des plaques comparable à celle de la Terre modifie profondément le transport de chaleur entre l'intérieur et la surface. La planète présente néanmoins une activité volcanique importante et probablement encore relativement récente à l'échelle géologique.

La Lune.
La Lune offre un autre exemple majeur de différenciation. Les données géochimiques et géophysiques indiquent qu'elle possède un petit noyau métallique entouré d'un manteau silicaté et d'une croûte. Son histoire ancienne semble avoir comporté un océan magmatique global ou quasi global. La cristallisation de cet océan magmatique aurait produit une croûte riche en plagioclase, relativement légère, flottant sur des matériaux mantelliques plus denses. Les basaltes des mers lunaires résultent ensuite de la fusion partielle du manteau. La différenciation de la Lune explique donc à la fois sa structure interne et une grande partie de sa diversité pétrologique.

Les petits corps rocheux.
Les petits corps du Système solaire montrent que la différenciation ne dépend pas uniquement de la taille actuelle d'un objet. Le moment de sa formation est également essentiel. Un astéroïde de taille modeste mais formé très tôt peut avoir chauffé suffisamment pour fondre partiellement, tandis qu'un corps plus grand formé tardivement peut être resté relativement froid. L'aluminium 26 est particulièrement important dans ce contexte : sa demi-vie courte signifie que son chauffage est extrêmement efficace durant les premières phases du Système solaire, mais beaucoup moins pour les corps formés plusieurs millions d'années plus tard.

Les météorites constituent les principales archives accessibles de cette différenciation précoce. Les chondrites représentent des matériaux relativement primitifs qui conservent une partie de la composition et de la minéralogie des premiers solides du Système solaire. Les achondrites, au contraire, témoignent de processus de fusion et de différenciation. Certaines météorites proviennent de corps dont le métal a migré vers un noyau, tandis que d'autres représentent des matériaux mantelliques ou crustaux. Les météorites métalliques sont particulièrement importantes puisqu'elles peuvent être les fragments de noyaux d'anciens planétésimaux différenciés dont les enveloppes rocheuses ont été détruites par des collisions.

Certains astéroïdes pourraient même avoir subi une différenciation seulement partielle. Dans un corps faiblement chauffé, le métal peut fondre avant que la totalité des silicates ne soit fondue. Le métal liquide peut alors migrer à travers une matrice encore solide. Il en résulte une différenciation incomplète, avec un noyau métallique relativement petit et un manteau rocheux qui conserve une partie de ses caractéristiques primitives. D'autres corps peuvent connaître une fusion plus avancée, pour donner naissance à une véritable structure noyau-manteau-croûte.

Les corps glacés.
La différenciation ne concerne cependant pas uniquement les matériaux rocheux et métalliques. Dans les régions externes du Système solaire, les glaces jouent un rôle essentiel. Les satellites et les planètes naines riches en eau peuvent se différencier en un noyau rocheux et une enveloppe riche en glace. Lorsque la température et la pression deviennent suffisantes, la glace peut fondre et produire un océan interne. Un corps initialement constitué d'un mélange de roches et de glace peut alors évoluer vers une structure concentrique , avec un centre rocheux dense, un manteau ou océan d'eau liquide et des couches de glace externes.

Les satellites glacés des planètes géantes constituent des exemples particulièrement complexes. Europe, Ganymède, Callisto, Encelade et Titan présentent des degrés de différenciation très différents. Ganymède semble particulièrement différencié, avec un noyau métallique, un manteau rocheux et plusieurs couches de glace, éventuellement séparées par des phases de glace à haute pression. Europe semble également avoir une structure fortement différenciée, avec un intérieur rocheux et un océan global sous une enveloppe glacée. Callisto, en revanche, apparaît moins complètement différencié, ce qui montre que deux corps de taille comparable peuvent connaître des évolutions internes très différentes.

La pression devient un facteur essentiel dans les grands corps riches en glaces. L'eau ne possède pas une seule forme solide : sous des pressions élevées, elle peut former plusieurs polymorphes de glace, dont certaines phases beaucoup plus denses que la glace ordinaire. Dans les grands satellites ou les planètes naines suffisamment massives, ces phases peuvent apparaître à plusieurs centaines de kilomètres de profondeur. La structure interne peut donc être stratifiée non seulement par composition mais aussi par état physique et structure cristalline.

Les planètes géantes
Les planètes géantes présentent une différenciation d'une nature différente. Jupiter et Saturne sont dominées par l'hydrogène et l'hélium, mais leur intérieur n'est pas homogène. La pression croissante transforme progressivement l'hydrogène moléculaire en hydrogène métallique. La densité augmente fortement avec la profondeur et les éléments lourds sont vraisemblablement concentrés de préférence vers les régions centrales, même si les modèles actuels suggèrent des gradients de composition plutôt qu'une frontière nette entre un noyau compact et une enveloppe homogène. Jupiter pourrait posséder un noyau dilué, c'est-à-dire une région centrale enrichie en éléments lourds mais qui s'étend progressivement dans l'enveloppe environnante.

La différenciation des géantes glacées, Uranus et Neptune, est encore plus complexe. Leur intérieur contient une proportion beaucoup plus importante d'éléments lourds, traditionnellement représentés par un mélange de "roches" et de "glaces", bien que cette terminologie soit trompeuse dans les conditions extrêmes qui règnent à l'intérieur. L'eau, l'ammoniac et le méthane peuvent y exister sous des états physiques radicalement différents de ceux observés à la surface terrestre. Les pressions et températures élevées peuvent conduire à des phases ioniques ou superioniques de l'eau. Les enveloppes profondes pourraient donc être caractérisées par des gradients de composition et des transitions de phase complexes plutôt que par des couches parfaitement séparées.