Mots clés : verre libyque / verre de Libye, impactite, tectite, stishovite, grès nubien, comète, Hypatia, LDG - Libyan Desert Glass

Le verre libyque, une impactite égyptienne d'origine cométaire ?

Michel Detay

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

03/02/2014

Résumé

Éléments de synthèse sur l'origine du verre naturel le plus riche en silice.


Cet article est une version actualisée et augmentée de l'article éponyme de M. Detay paru dans le numéro de novembre 2009 de la revue Minéraux et fossiles .

Découverte et localisation du verre libyque

De retour du Gilf el Kebir (un des plus intéressants secteurs du Sahara, riche en vestiges pré-égyptiens, en gravures rupestres…) on traverse le désert libyque, où aucun naturaliste ne peut manquer de s'arrêter sur le site du silica glass pour y re-découvrir le verre libyque ( Libyan Desert Glass  = LDG). C'est le verre naturel connu le plus riche en silice (> 98%), qui a fait l'objet de nombreuses recherches et hypothèses et dont l'origine soulève encore des interrogations au sein de la communauté scientifique.

Le site du verre libyque se trouve dans la « Grande Mer de Sable » du désert libyque. Rappelons que, malgré son nom, la majeure partie de cette zone désertique se situe principalement en Égypte, et déborde seulement en Libye, au Soudan et au Tchad. Le premier repérage moderne de ce gisement est dû à P.A. Clayton qui le signala en 1932. Il y effectua d'autres voyages et la carte qu'il a dressée a été publiée par L.J. Spencer en 1939. Théodore Monod participa à sa célébrité en France.

In situ , les morceaux de verre se trouvent disséminés à la surface du sol des couloirs inter-dunaires de 2 à 3 km de large, séparant des cordons de dunes linéaires de 800 m à 1,5 km d'orientation sensiblement NNO-SSE.

Figure 1. Localisation des affleurements de LDG dans le désert libyque

Localisation des affleurements de LDG dans le désert libyque

Comme son nom ne l'indique pas, le désert libyque se trouve majoritairement en Égypte.

Les traits rouges indiquent les frontières de l'Égypte avec la Libye, à l'Est, et le Soudan, au Sud.


Figure 2. Paysage dunaire caractéristique du désert libyque

Paysage dunaire caractéristique du désert libyque

C'est entre de tels cordons de dunes qu'on peut trouver des échantillons de verre libyque.


Figure 3. Couloir interdunaire parsemé de blocs rocheux de taille variable dans le désert libyque

Couloir interdunaire parsemé de blocs rocheux de taille variable dans le désert libyque

Un très faible pourcentage des blocs visible est constitué de verre libyque. Il ne reste plus qu'à chercher.


La forme et la dimension des échantillons sont assez variables : de petits morceaux centimétriques se découvrent au milieu du sable, des grès et des quartzites ; des morceaux décimétriques se découvrent plus ou moins enterrés, la partie émergente étant brillante car polie par le vent et douce au toucher. Les plus gros morceaux échantillonnés étaient entièrement enterrés. Un morceau de 26 kg, le plus gros, se trouve au Muséum National d'Histoire Naturelle de Paris.

Figure 4. Échantillons de verre libyque en place dans les interdunes encombrés de blocs et galets de roches locales

Échantillons de verre libyque en place dans les interdunes encombrés de blocs et galets de roches locales

Deux échantillons sont nettement visibles : celui du premier plan pèse 420 g ; celui du second plan pèse 120 g. Pour trouver du verre libyque, il faut chercher dans ce champ de cailloux et rechercher un caillou verdâtre ou blanchâtre différent de l'immense majorité des roches assez sombres. La flèche au fond signale un échantillon verdâtre ; il ne reste plus qu'à aller voir si c'est du verre libyque ou non.


Figure 5. Échantillon de verre libyque (~420 g)

Échantillon de verre libyque (~420 g)

Figure 6. Échantillon de verre libyque sortant à peine du sable (~150 g)

Échantillon de verre libyque sortant à peine du sable (~150 g)


Figure 8. Petit échantillon de verre libyque (~110 g)

Petit échantillon de verre libyque (~110 g)

Figure 9. Gros échantillon de verre libyque (~2 kg)

Gros échantillon de verre libyque (~2 kg)

Le verre est généralement de couleur jaune à vert clair, voire blanc pour certains échantillons. Les belles pièces transparentes et façonnées par le vent sont rares. On note la présence d'inclusions et de bulles laissant penser à une forme de stratification. Les petits morceaux, trouvés en surface, montrent, par leurs formes arrondies, un possible effet du transport par l'eau et/ou une longue érosion éolienne, alors que les morceaux enterrés sont en général beaucoup plus anguleux. Les parties inférieures des échantillons ramassés sur le terrain donnent l'impression d'être au contact d'un grès ou d'un sable qui pourrait en être la roche mère en voie d'altération et partiellement reprise par l'érosion.


Figure 11. Surface alvéolée caractéristique de l'érosion éolienne sur un échantillon de verre libyque

Surface alvéolée caractéristique de l'érosion éolienne sur un échantillon de verre libyque

Zoom sur une face de l'échantillon précédent.


Ci-dessous, quatre superbes échantillons de verre libyque transparents et diversement alvéolés.

Figure 12. Échantillons de verre libyque (420 g)

Échantillons de verre libyque (420 g)

Figure 13. Échantillons de verre libyque (175 g)

Échantillons de verre libyque (175 g)

Figure 14. Échantillons de verre libyque (~150 g)

Échantillons de verre libyque (~150 g)

Figure 15. Échantillons de verre libyque (175 g)

Échantillons de verre libyque (175 g)

De retour en France la quête scientifique commence et, là, le vrai questionnement puisque l'on trouve, notamment sur internet, à peu près tout et son contraire sur l'origine de ce verre.

Les mythes sont faits pour que l'imagination les anime [1]

Quand on est sur place, au cœur des dunes, la magie du désert libyque opère. On se perd dans les légendes et mystères de la disparition des 50 000 hommes de l'armée de Cambyse racontée par Hérodote au cinquième siècle avant notre ère ou encore dans l'histoire de Zerzura, l'oasis légendaire du désert libyque. Un nom mythique, une oasis restée jusqu'ici introuvable et dont le mystère a nourri les légendes arabes et européennes.

On se souvient que le verre libyque était connu du temps des pharaons et qu'il a été utilisé pour confectionner le scarabée qui orne le pectoral de Toutankhamon (1347-1337 avant notre ère). Le scarabée était d'importance essentielle dans le culte funéraire de l'Égypte antique. La fonction du « scarabée pectoral » était de s'assurer que le cœur ne témoignerait pas contre le défunt lors du jugement de l'âme du mort par le dieu Osiris.

La présence in situ d'outils préhistoriques nous amène encore plus loin dans le passé, au Néolithique (9 000 avant notre ère), époque à laquelle le Sahara n'était pas un désert. On rencontre sur le terrain de nombreux sites de taille de verre libyque qui ont dû participer à sa dispersion.

Figure 16. Le pectoral de Toutankhamon

Le pectoral de Toutankhamon

Le scarabée central est taillé dans du verre libyque.


Figure 17. Outil préhistorique en verre libyque

Outil préhistorique en verre libyque

Figure 18. Outil préhistorique en verre libyque

Outil préhistorique en verre libyque

Figure 19. Outil préhistorique en verre libyque

Outil préhistorique en verre libyque

Une origine sédimentaire, volcanique, voire lunaire, ou encore choc d'astéroïde ?

Pour expliquer la présence de verre libyque, chacun y va de son anecdote, de ce dont il se souvient, de ce qu'il croit avoir compris, de ce qu'il a lu sur internet, dans des guides ou encore dans les divers récits de Théodore Monod.

En première analyse et fonction de l'acquis des interlocuteurs plusieurs propositions émergent. En se limitant aux propositions non farfelues, on peut séparer deux types d'origines.

Premier type d'hypothèse : une origine purement terrestre

Certains voyaient une origine liée à des circulations hydrothermales péri-magmatiques au gré d'un système de fractures profondes surplombant la mise en place d'un pluton. D'autres feraient des verres libyques les composants d'un « super lit de silex », silex un peu particuliers et nés au fond d'un lac. Dans ces deux cas, on discutait d'un processus de gélification sol-gel[2]. D'autres, enfin, proposaient une origine thermique à ces verres et faisaient appel à l'incendie massif d'une paléo-forêt, bien que la température d'un feu de bois soit largement insuffisante pour faire fondre de la silice pure (anhydre ou même hydratée) dans des conditions de pression atmosphérique.

Deuxième type d'hypothèse : une origine associée à un impact de météorite ou de comète

Il s'agirait alors de tectites (mot pris, ici, dans son sens le plus large) d'origine terrestres, ou alors d'éjectas issus d'un cratère de météorite sur la Lune, comme on l'a longtemps pensé pour les tectites sensu stricto (cf. Les tectites, des larmes de la Terre ).

C'est une origine liée à un impact qui "colle" le plus à toutes les données recueillies (cf. Les impacts dans le système solaire).

Il ne peut pas s'agir d'éjectas issu d'un impact sur la Lune, car il n'existe pas a priori de roche lunaire aussi riche en silice et ayant pu fondre à la suite d'un impact. De plus, aucun morceau de verre libyque ne montre de regmaglyphe ou une forme aérodynamique, ces structures caractéristiques de certaines météorites acquises lors de leur traversée à grande vitesse de l'atmosphère terrestre.

Bien que de nombreux sites internet associent tectites et verre libyque, et bien que le mot tectite vienne du mot grec τηκτ́ος qui signifie "fondu", il ne s'agit visiblement pas d'une tectite sensu stricto car, en plus de ne présenter ni forme aérodynamique ni aucun regmaglyphe liés à une traversée de l'atmosphère, aucun échantillon de verre libyque ne présentent ces formes caractéristiques acquises pendant une trajectoire balistique hors atmosphère (sphère, ellipsoïde, disque renflé sur les bords, haltère, larme…) (cf. Les tectites, des larmes de la Terre ).

On propose aujourd'hui que le verre libyque soit une impactite, mais une impactite non associée au choc d'une météorite (ou d'une comète) sur la Terre solide comme on peut en voir associées à de nombreux cratères terrestres (cf. Les brèches d'impact pseudotachylitiques de l'astroblème Vredefort... ), mais une impactite née de l'explosion probable d'un impacteur incident qui n'aurait pas atteint le sol, mais qui aurait explosé en altitude dans l'atmosphère. Ce phénomène serait proche, mais beaucoup plus énergétique, de celui de la météorite de la Tunguska (Sibérie) en juin 1908 dont l'énergie a été estimée à 10 mégatonnes de TNT, soit l'équivalent de 600 bombes de type Hiroshima. L'onde de choc engendrée par l'explosion a couché les arbres de la Taïga sur 500 km2. Le flash thermique associé à l'explosion, si il n'a pas fait fondre le sol sibérien, a brûlé rennes, chiens, tentes et réserves alimentaires que des éleveurs sibériens avaient laissé là pendant le mois de juin 1908, et a provoqué des incendies de forêts gigantesques. La chute du 15 février 2013 au-dessus de la ville russe de Tcheliabinsk nous a montré un mini équivalent de la Tunguska, c'est-à-dire un micro-équivalent de la chute proposée pour expliquer le LDG. La météorite a explosé vers 30-35 km d'altitude ; l'onde de choc a brisé toutes les vitres de la ville. Et pendant 2 secondes, un flash lumineux 10 à 20 fois plus intense que le Soleil a été suffisant pour causer quelques brûlures oculaires et même cutanée sur certains habitants. Dans le cas du LDG, l'énergie ainsi développée, des milliers de fois plus intense, aurait fait fondre la roche en place (série des grès nubiens ?) pour former ce verre. Le LDG serait donc dû à un "méga-Tunguska" ou à un "giga-Tcheliabinsk" (cf. Les impacts dans le système solaire).

Qu'est ce qui a permis aux scientifiques d'arriver à ces conclusions et de préférer une origine extra-terrestre à une origine terrestre ? Quelle pouvait être la nature de l'impacteur ? Et pourquoi le verre de Libye est-il unique, alors que les impacts et leurs cratères sont relativement "fréquents" sur Terre ?

Complément d'enquête

Dans la bibliographie, la première mention du LDG apparaît dans un rapport de 1850 de F. Fresnel alors consul de France à Djeddah. Cependant il faudra attendre les expéditions de P.A. Clayton (1932) pour que la communauté scientifique découvre le verre. En 1996, Th. Monod T et E. Diemer signalaient déjà l'existence de 177 documents faisant référence au verre libyque. Aujourd'hui, il est probable que le chiffre soit bien supérieur à 200.

Pour rendre compte des mécanismes impliqués dans la formation du LDG nous examinerons des théories faisant appel à des mécanismes à basse et à haute température, dans des processus terrestre et extraterrestre. En effet, un peu de bibliographie scientifique "récente" permet d'accéder à une l'information solide au sein d'une science parfois trop molle. Notons, en particulier, les actes du colloque Silica'96 qui regroupe de nombreuses présentations scientifiques récentes.

Éléments géologiques

Aire de répartition et volume

La répartition géographique du verre a fait l'objet de plusieurs propositions. L.J. Spencer proposait une aire de l'ordre de 6500 km2. D'une manière générale, on considère que le verre se trouverait dans un ovale d'environ 130 km d'extension Nord-Sud (latitudes 25°02'N - 26°13'N) et 50 km d'Ouest en Est (longitudes 25°24'E - 25°55'E). Enfin, l'équipe de R.A. Weeks (1984) opte pour une aire de 3500 km2.

Figure 20. Plan de situation du champ d'affleurement des LDG

Plan de situation du champ d'affleurement des LDG

Six cratères (ou champ de cratères) météoritiques sont indiqués (C). Seuls les cratères BP et Oasis (en vert) sont certainement d'origine météoritique. L'origine des autres (en rouge) est encore fortement discutée.


La concentration en LDG varie sensiblement au sein de son aire de répartition dans les corridors interdunaires. Des relevés statistiques sur le terrain [A. Barakat et al. , 1997] ont permis de mesurer la concentration en g/ha de LDG sur une cinquantaine de sites dans une ellipse de 30 km x 8 km. La concentration par hectare oscille entre 0 et 85 kg/ha avec un écart type de 14. Les plus gros blocs trouvés pèsent environ 6 kg, en dehors du bloc exceptionnel trouvé par Théodore Monod. Ces mêmes auteurs se sont lancés dans des calculs de volume. À titre indicatif, on note que le chiffre de 267 tonnes de LDG a été obtenu par extrapolation.

Le traitement de ces données par une méthode statistique de type kriegeage permet de proposer des courbes d'isoconcentration de LDG géoréférencées (ci-dessous). Ces courbes pourraient bien être le reflet de l'affleurement originel de silice vitreuse.

Figure 21. Isoconcentrations de LDG en kg par hectare

Isoconcentrations de LDG en kg par hectare

Coordonnées décimales, obtenues d'après les valeurs de Barakat et al. (1997).


Compte tenu des difficultés d'accès au site, celui-ci n'a pas fait l'objet d'une étude stratigraphique précise et fiable. Les documents disponibles sont incomplets et parfois contradictoires. On fait référence à une importante masse de verre libyque reprise par l'érosion, érosion dont l'amplitude verticale pourrait atteindre 300 à 400 m dans ce secteur du Sahara depuis l'Oligocène [E. Diemer, 1997]. Un seul point (25°18'N - 25°34'E) a fait l'objet d'une excavation de 2 m de diamètre et de 2,45 m de profondeur. Elle a traversé un horizon composé essentiellement d'alluvions : sable, graviers de quartz et blocs de grès jusqu'au toit des grès nubiens en fond de fouille. Des échantillons de LDG étaient présents jusqu'à une profondeur de 1,2 m.

Rappelons que ce qu'on connaît sous le nom de « grès nubien » consiste en un empilement de grès, majoritairement continentaux, épais de 500 à 3000 m. Ces grès se sont déposés de façon discontinue surtout au Paléozoïque, mais la sédimentation gréseuse a continué jusqu'au Crétacé supérieur. Les grès nubiens du Sud-Ouest égyptien sont composés de trois horizons sableux séparés par des horizons argileux avec des variations latérales de faciès importantes. On ne peut donc pas exclure que certains horizons des grès nubiens pourraient représenter la roche mère du LDG. Force est de constater qu'on ne connaît pas très bien l'aire de répartition de ce LDG, qui varie du simple au double selon les auteurs. Sans compter que nous n'avons aucune idée de la répartition potentielle de LDG sous les dunes actuelles. Nous n'avons pas non plus de moyen réel de quantifier la quantité de LDG repris par l'érosion.

Composants majeurs

L'examen du tableau des composants majeurs de ce verre montre que nous avons à faire avec le verre naturel connu le plus riche en silice.

Tableau 1. Composition chimique moyenne en éléments majeurs (masse d'oxyde en % ) pour 13 échantillons de verre libyque (LDG)

SiO2

Al2O3

FeO

Fe2O3

TiO2

98.42

1.02

0.18

0.14

0.13

Daprès Spencer (1939), Barnes (1976), Jux (1983) et Diemer (1997).


À sa température de fusion, la viscosité du verre libyque est de 109 Pa.s, soit deux ordres de grandeur en dessous de la silice pure ; à cette température le LDG est 3,5 fois plus visqueux que les moldavites et 6,5 fois plus visqueux que les tectites d'Asie du Sud-Est et que les obsidiennes usuelles. Le tableau ci-dessous résume les propriétés physiques du LDG qui nous paraissent les plus importantes.

Tableau 2. Principales propriété physiques du LDG (verre libyque)

Masse volumique

2200 – 2206 kg/m3

Dureté

6

Indice de réfraction

1,462

Température de fusion (à pression atm.)

~1700°C


Apports de la géochimie

L'âge du verre

Là encore, on trouve toutes sortes d'informations farfelues notamment sur internet en particulier au sein des sites de vente de minéraux et de météorites. Il y a même une erreur au Arthur Ross Hall of Meteorites - American Museum of Natural History de New York où, depuis plusieurs années, il manque trois zéros dans l'âge indiqué (28.000 au lieu de 28.000.000 ans), ce qui ne simplifie pas la recherche des vraies valeurs. L'âge de formation du verre a été déterminé par la méthode du potassium-argon (K-Ar) et par la méthode des traces de fission. Cette dernière méthode donne des valeurs de 28,5±0,8 millions d'années (Ma), plaçant l'origine du LDG à l'Oligocène. Notons que d'après certains auteurs, la région subissait à cette même période une intense activité hydrothermale péri-magmatique que l'on retrouve plus au Sud (cratère Clayton, épanchements basaltiques du plateau du Gilf el Kebir, basaltes du Djebel Uweinat). Cette activité plutonique et volcanique incite certains auteurs (N. Brügge en particulier) à encore proposer une origine hydrothermale péri-magmatique au LDG.

Notons également que l'origine du champ composé d'une cinquantaine de cratères répartis sur 4500 km2, proposé par P. Paillou et al. (2004, 2006) dans la région du Gilf el Kebir (de 23°10'N à 23°40'N et de 26°50'E à 27°50'E) ne fait pas l'unanimité et est analysé par certains auteurs (M. Di Martino, notamment) comme d'origine phréatomagmatique. En l'état actuel des connaissances, on ne peut cependant pas exclure qu'il s'agisse bien d'un champ de cratères d'origine météoritique. De toute façon, que ce soit pour ce champ de cratères ou les autres cratères régionaux, il faudrait, pour proposer un lien génétique avec le LDG, que ces cratères aient aussi 28 Ma. Or aucun de ces cratères (même les deux dont l'origine météoritique a été prouvée) ne semble avoir été daté à ce jour.

Minéraux, inclusions et éléments traces

Le verre libyque contient des inclusions de natures diverses, en particuliers des minéraux. Certains anciens auteurs auraient décelé des pollens au sein du LDG, ce qui lui conférerait une origine sédimentaire ; d'autres y auraient identifié des formes rappelant des bactéries. Aucune de ces inclusions anciennement décrites n'a pu être confirmée ou retrouvée par des études modernes.

Parmi les minéraux "terrestres" inclus dans ce verre on se doit de signaler la présence de :

  • cristaux de tourmaline, de type elbaïte ;
  • lechateliérite et wollastonite (CaSiO3), qui témoignent d'un passage à haute température ;
  • zircons (ZrSiO4) qui ont fait l'objet de plusieurs études ayant montré, d'une part, une dégradation in situ de ces zircons en baddeleyite (ZrO2), ce qui implique une température supérieure à 1676°C et, d'autre part, que ces zircons avaient aussi été soumis à de fortes déformations mécaniques ;
  • enstatite (MgSiO3) ayant sa structure de haute pression, identique à la structure cristallographique de l'ilménite (on sait que cette variété de haute pression ne peut s'obtenir que si la roche a été soumise à une pression d'au moins 20 GPa) ;
  • quartz choqués (comme ceux qu'on trouve associés à la limite Crétacé/Tertiaire) caractéristiques des impacts.

D'autres inclusions, de natures diverses, vont nous permettre de tirer d'autres conclusions intéressantes quant à la formation de ce verre. On y trouve :

  • des bulles de 0,2 mm de diamètre, parfois très nombreuses, qui rendent le verre opaque ; parfois alignées, elles mettent alors en évidence un sens d'écoulement préférentiel, signe d'une structure fluidale ;
  • des sphérules de cristobalite [3] visibles à l'œil nu, qui témoignent de la dévitrification du verre. De la grosseur de ces sphérules et de leur distribution au sein du verre on peut déduire que le verre s'est refroidi sous la forme d'une couche mince, de l'ordre d'un mètre d'épaisseur. Une épaisseur plus grande aurait, en effet, conduit à un refroidissement lent et à la dévitrification complète du verre au centre de la couche, ce qu'on n'a jamais trouvé 
  • des traînées d'impuretés et de minéraux plus foncés, souvent brunes, les schlieren, dans lesquelles on a trouvé des éléments sidérophiles (Fe, Co, Ni) et de l'iridium.

Figure 22. Échantillons de verre de Libye sans bulle (en bas) et avec micro-bulles (en haut)

Échantillons de verre de Libye sans bulle (en bas) et avec micro-bulles (en haut)

La photo de gauche est prise par transparence. Le verre libyque avec micro-bulles (en haut) apparaît laiteux et non transparent, contrairement à celui du bas.

La photo de droite a été prise perpendiculairement à la direction d'éclairement. On voit donc surtout la lumière diffusée. L'échantillon avec micro-bulles (en haut) diffuse plus de lumière que l'échantillon sans micro-bulles et parait donc plus clair.


Figure 23. Vue d'ensemble d'un morceau de verre de Libye contenant de nombreuses sphérules de dévitrification (riches en cristobalite)

Vue d'ensemble d'un morceau de verre de Libye contenant de nombreuses sphérules de dévitrification (riches en cristobalite)

Figure 24. Détail d'un morceau de verre de Libye contenant de nombreuses sphérules de dévitrification (riche en cristobalite)

Détail d'un morceau de verre de Libye contenant de nombreuses sphérules de dévitrification (riche en cristobalite)


Plusieurs auteurs se sont attachés à la quantification des éléments traces. Ceux-ci confirment, notamment dans les traînées brunes du LDG :

  • de fortes teneurs en iridium (jusqu'à 4-6 ppb (partie par milliard, soit des ng/g), pour une valeur de l'ordre de 0,05 ppb dans les roches usuelles de la croûte continentale) ;
  • d'autres platinoïdes, dont l'osmium, sont également présents en proportion relative chondritique ; les rapports isotopiques de l'osmium sont, elles aussi, proches des valeurs chondritiques [C. Koeber, 2000] ;
  • des éléments sidérophiles qui s'avèrent être présents en proportion relative chondritique.

Cet enrichissement suggère fortement que le LDG est un mélange, et qu'il contient de l'ordre de 0,5% de matériel de chimie chondritique dilué dans de la silice "bien terrestre".

Teneur en eau

Parmi les tectites et les impactites, le LDG contient une quantité d'eau significative comme c'est par ailleurs le cas des moldavites. Il semble que cette eau ne soit pas intégrée dans le réseau cristallin mais soit contenue dans les bulles.

La structure moléculaire du verre étudiée par spectrométrie quantitative infrarouge [R. Rocchia et al. , 1997] a montré que la structure de la chaîne des tétraèdres de silice et que les liaisons Si-O-Si sont typiques des verres obtenus par fusion. En effet, un verre résultant d'une gélification révèle toujours un déficit d'énergie car une des 4 liaisons n'est pas occupée par un ion silice mais par un ion OH.

Microdiffractométrie-X

Une étude de microdiffractométrie-X [C. Patuelli, 1997] a mis en évidence la présence de stishovite[4], forme de silice stable à des pressions encore plus haute que la coésite[5] et a montré que le germanium et le thorium étaient dans des sites cristallins où ils ne sont en substitution que sous haute pression. Ces résultats confirment des conditions de formation sous haute pression et haute température.

Le rasoir d'Ockham,[6] ou principe de parcimonie : que peut-on conclure des résultats obtenus à ce jour ?

Cette rapide synthèse met en évidence de nombreux indices en faveur d'un scénario de formation du LDG dans des conditions :

  • de haute pression (présence de stishovite, d'enstatite de structure HP, de quartz choqués…) ;
  • de haute température (structure de la chaîne des tétraèdres de silice, dégradation in situ des zircons en baddeleyite, présence de lechateliérite et de wollastonite).

Par ailleurs, la présence d'iridium, l'abondance et les valeurs isotopiques de l'osmium, le fait que les éléments sidérophiles et les platinoïdes soient présents dans des proportions relatives chondritiques, et la présence de stishovite apportent des éléments décisifs en faveur du scénario d'impact.

Aucune donnée fiable et reproductible ne favorise une origine sédimentaire ou hydrothermale ; aucune n'exclut une origine à HT, HP et, au contraire, de nombreuses données l'indiquent. La grande majorité des travaux scientifiques sérieux converge donc pour proposer un schéma dans lequel le LDG résulterait d'une fusion provoquée par l'impact d'un objet extra-terrestre, astéroïde géocroiseur ou comète.

Absence de cratère d'impact et de roche-mère ?

Où est le cratère ?

Plusieurs cratères d'impact, confirmés ou discutés, ont été reconnus autour du site du LDG : les cratères Oasis et B.P.., nommés ainsi par les sociétés d'exploration pétrolière qui les ont découverts, Arenus 1 et 2, Kebira et le champ de cratères du Gilf el Kébir. S'il y a des preuves qu'Oasis et BP sont bien d'origine météoritique, ce n'est pas le cas de Kebira, des cratères Arenus et des cratères du Gif el Kebir dont l'origine est débatue. Les deux cratères d'origine météoritiques certaines, Oasis et BP, ont respectivement 15 et 3 km de diamètre. Ils sont situés à 150 et 115 km du champ de LDG. L'absence de datation de ces impacts (certains ou supposés) ne permet pas de faire un lien avec le LDG, ni de l'exclure.

Les cratères d'impact sont omniprésents dans tout le système solaire, et en particulier sur la Lune où on a recensé plus de 500.000 cratères de plus de 1 km de diamètre. Sur Terre, on n'en connaît que 184 identifiés avec certitude (chiffre de 2011, Earth Impact Database ). La (relative) rareté des cratères d'impact sur Terre s'explique par au moins 3 raisons :

  1. La grande majorité des cratères lunaires a un âge >3,5 Ga. Il a dû s'en former encore plus sur Terre à cette période (la surface et la gravité terrestres sont supérieures aux surfaces et gravité lunaires), mais ceux-ci ont complètement disparu.
  2. Même les cratères "récents" ont toutes les chances de disparaître. Tous ceux tombés sur des fonds océaniques avant 160 Ma sont disparus par subduction ; ceux formé sur une surface continentale peuvent être érodés, recouverts de sédiments, recouverts de trapps, pris dans une orogenèse… L'icône de l'impact météoritique sur Terre, le Meteor Crater en Arizona, n'a que 200 m de profondeur. Si l'érosion locale avait fait disparaître 200 m de roches, ce cratère mythique n'existerait plus ! Et 200 m de roche peuvent s'éroder très vite. Pour le LDG on pourrait imaginer que le cratère et les éventuelles brèches d'impact "classiques" (suévite[7]) ont été détruit par 28 millions d'années d'érosion ou recouvert par du sable.
  3. L'atmosphère "filtre" les impacts. Elle fait fondre et vaporise les plus petits impacteurs. Elle fait parfois exploser dans l'atmosphère les impacteurs de taille métrique à hectométrique, et seuls les plus gros et/ou les plus "solides" et/ou arrivant  avec une trajectoire adéquate (pas trop inclinée) arrivent au sol et engendrent un cratère.

Mais, bien que rares, les cratères d'impacts existent sur Terre (184) et il a dû y avoir beaucoup plus d'impacteurs dont les cratères ont aujourd'hui disparu, ou qui ont explosé dans l'atmosphère. Les événements de la Tunguska et de Tchéliabinsk montrent en effet que des impacteurs, même majeurs, n'engendrent pas forcément cratère, brèche ou shatter cones s'ils explosent dans l'atmosphère. Ainsi, l'absence de cratère d'impact avéré pour le LDG ne me semble pas être un contre-argument décisif pour éliminer la thèse d'un impact.

Figure 26. Les cratères Oasis (en haut, Ø= 15 km) et B.P. (en bas, Ø= 3 km), les deux seuls cratères de météorites régionaux dont on soit certain de l'origine météoritique

Les cratères Oasis (en haut, Ø= 15 km) et B.P. (en bas, Ø= 3 km), les deux seuls cratères de météorites régionaux dont on soit certain de l'origine météoritique

Ces deux cratères n'ont malheureusement pas encore été datés. Aucune donnée n'indique que l'un de ces cratères soit à l'origine du verre libyque. Si une (des) future(s) datation(s) attribuai(en)t un âge de 28 Ma à l'un de ces cratères (ou au deux), cela ne signifierait pas forcément que ce(s) cratère(s) est (sont) à l'origine du verre libyque. Cela pourrait aussi signifier que l'événement à l'origine du verre libyque aurait aussi engendré un (deux) cratère(s), par exemple par fragmentation de l'impacteur. Un fragment aurait explosé dans l'atmosphère et aurait été à l'origine du verre libyque ; un (deux) autre(s) fragment(s) aurai(en)t atteint le sol et aurai(en)t engendré Oasis et/ou B.P.


Quelle est la roche mère ?

Les éléments stratigraphiques disponibles montrent qu'une quantité non négligeable de sédiments recouvraient les grès de Nubie au moment où le verre libyque s'est formé. Cette information structurante a les conséquences suivantes.

La roche mère n'a pas été encore retrouvée et les grès nubiens "standards" analysés contiennent 50 fois moins d'aluminium que le LDG et ne constitueraient donc pas un précurseur acceptable. Il me semble qu'il faille rechercher la réponse dans les horizons stratigraphiques repris par l'érosion. Certains auteurs, comme R.F. Fudali (1981), proposent la fusion d'un précurseur qui devait recouvrir le grès de Nubie, ou un horizon spécifique lié aux variations latérales de faciès fréquent dans cette formation, et qui aurait disparu au cours des derniers 28 millions d'années. Il faut envisager la présence passée d'un grès dont les grains auraient été recouverts de kaolinite, d'hématite (Fe2O3) et d'anatase (TiO2) ce qui serait compatible avec la composition du LDG. Les signatures isotopiques du strontium et du néodyme sont cohérentes avec l'origine d'un grès composé de matériel issu du craton Est-Saharien. La roche originelle du LDG est donc probablement les arénites quartziques du Jurassiques - Crétacé du groupe des grès nubiens.

Notons que des publications proposent des calculs de volume de LDG et tentent d'en déduire la géométrie du cratère supposé avoir engendré le LDG pour proposer des hypothèses de taille, de vitesse et de nature de l'objet incident. De par leur proximité, les sites des cratères d'impact d'Oasis et B.P. ont été étudiés dans la perspective d'y trouver un précurseur au LDG, sans succès à ce jour. Notons que cela n'a rien d'étonnant puisqu'il ne s'agit pas d'une tectite qui a beaucoup "voyagé" depuis son cratère source mais d'une impactite ne montrant aucune trace de mouvement.

Météorite ou comète ?

Dans l'état actuel des connaissances, on sait encore relativement peu de choses du comportement des roches et minéraux lors d'un impact au sol, avec développement de très haute pression et température pendant une période courte, et en phase transitoire. Un impact impose des pressions supérieures à 600 GPa et des températures de 2000 à 15.000K. Les ondes de choc produites dans la cible et dans l'impacteur ont des durées de vie très courtes, qui dépendent de la taille de l'impacteur. Un impacteur de 10 km de diamètre arrivant sur Terre (perpendiculairement à la surface) à 20 km/s développera une surpression pendant 0,5 s. Un impacteur de 100 m (200 fois plus petit) développera une surpression qui durera encore 200 fois moins longtemps. Notons cependant l'existence de variantes dans le scénario de collision qui proposent souvent la fusion/vaporisation de l'objet incident sous la forme d'un aérosol à très haute pression et très haute température. On connaît encore moins bien le détail du comportement de l'impacteur quand celui-ci explose dans l'atmosphère avant d'atteindre le sol.

On parle souvent de météorite comme type d'objet impacteur. Mais une origine cométaire peut aussi être envisagée. Les études astronomiques montrent que, s'il y a moins de comètes que d'astéroïdes qui recoupent l'orbite de la Terre, ce n'est pas un événement impossible, ni même improbable sur des échelles de temps géologiques. Ainsi, le célèbre astronome du XVIIIème siecle, Charles Messier, a pu calculer que la comète Lexell n'était passée qu'à 0,015 u.a. (1 unité astronomique = 150.000.000 km) de la Terre le 1er juillet 1770, ce qui n'est rien à l'échelle astronomique. La célèbre comète de Halley n'est passée qu'à 0,03 u.a. de la Terre le 10 avril 837. Des impacts très énergétiques pourraient ainsi être générés par des comètes, dont certaines orbitent autour du Soleil avec une orbite rétrograde, donc une vitesse relative Terre / impacteur beaucoup plus grande que celle des astéroïdes (70 km/s pour la vitesse relative Terre / comète de Halley, par exemple). De plus, les comètes, corps majoritairement constitués de glace, doivent être moins solides que les astéroïdes. Elles peuvent plus facilement exploser dans l'atmosphère, et produire un flux énergétique très important et très persistant si elles arrivent avec une incidence très oblique. Tout cela est compatible avec la formation du LDG.

Possibles, les impacts avec une comète doivent être quand même extrêmement rares, bien plus que les impacts d'astéroïdes. À titre indicatif, on peut noter que le site de la NASA qui recense les astéroïdes géocroiseurs des trois mois à venir ( Near Earth Object Program ) en compte 4 qui vont passer à moins de 0,03 u.a. de la Terre entre le 7 décembre 2013 et le 12 mars 2014 (chiffre disponible le 7 décembre 2013, date de l'écriture de cet article), dont le plus gros mesure au moins 500 m de diamètre. Si on suppose que ces 3 mois sont représentatifs, il passe donc environ 4 d'astéroïdes majeurs, de diamètre supérieur à 500 m, à moins de 0,03 u.a. de la Terre chaque année. Le même site recense les passages proches de comètes connus avec certitude. Depuis l'an 400 (soit depuis 1613 ans), seules 4 comètes sont passées à moins de 0,03 u.a. de la Terre. Les passages proches de comètes (du moins celles dont on a pu reconstituer l'orbite avec précision) sont donc 1600 fois plus rares que ceux d'astéroïdes. Si les "chances" de collision avec la Terre, sont dans les mêmes proportions que les passages proches, et si le LDG est bien dû à une comète, il n'est pas étonnant que le verre libyque soit unique et que rien d'approchant ne soit associé aux 184 impacts connus, sans doute dus à des astéroïdes.

On connaît mal la composition exacte des composés non gazeux des comètes et ce ne sont pas les quelques grains de Stardust ou les poussières obtenues par fonte de glace antarctique ( interplanetary dust ) qui suffisent pour appréhender totalement et parfaitement la composition du cœur des comètes. Il est cependant vraisemblable que les comètes soient composées d'une minorité de matériel chondritique très riche en carbone (plus que les chondrites carbonées) associé avec une majorité de glaces, glaces d'eau et d'autres composés (méthane, hydrocarbures complexes, monoxyde de carbone…), sans que l'on sache bien s'il s'agit d'un noyau chondritique recouvert de glaces, ou des deux phases encore mélangées. On peut quand même considérer que les comètes auraient une signature isotopique et élémentaire chondritique et pourraient ainsi être considérées comme un précurseur potentiel de la formation du verre libyque. Ceci pourrait également rendre compte du peu de matériel à chimie chondritique présent dans le LDG (0,5 %).

Enfin une découverte récente (décembre 1996) vient renforcer l'hypothèse de l'intervention d'une comète dans la formation du verre libyque : la découverte d'Hypatia[8], fragment de roche trouvé "posé" sur des grès du Coniacien (Crétacé supérieur) par 25°30E - 25° 20N, tout près de la zone d'affleurement du verre libyque. Des résultats récents (novembre 2013) concernant cette roche viennent d'être publiés par Jan Kramers de l'Université Johannesburg [J. Kramers et al. , 2013]. Hypatia est un petit fragment rocheux (30 g, dimension d'environ 5 cm), anguleux, très sombre, brillant, très fracturé, et composé de 5% de silicates et de plus 95% de carbone très dur, la majorité du carbone étant amorphe, mais une minorité est composée de carbone cristallisé sous forme d'agrégats de micro-diamants noirs (carbonado). Les rapports isotopiques, en particulier celui du carbone, excluent une origine terrestre (kérogène ou charbon métamorphisés). Le δ 13C est plus élevé que celui des chondrites carbonées, mais compatible avec la (large) fourchette des valeurs isotopiques des grains cométaires disponibles. Les gaz rares contenus dans Hypatia semblent un mélange de gaz "terrestres" et des gaz contenus dans les grains pré-solaires présents dans certaines chondrites et théoriquement présent dans les comètes. Les gaz rares contenus dans les matrices des chondrites semblent absent d'Hypatia. Les auteurs de cette étude de novembre 2013 concluent de la façon suivante : «  We propose that the Hypatia stone is a remnant of a cometary nucleus fragment that impacted after incorporating gases from the atmosphere. Its co-occurrence with Libyan Desert Glass suggests that this fragment could have been part of a bolide that broke up and exploded in the airburst that formed the Glass. Its extraordinary preservation would be due to its shock-transformation into a weathering-resistant assemblage  », ce qu'on peut traduire par : « Nous proposons que la roche Hypatia soit un reste d'un noyau cométaire qui a impacté la Terre après avoir incorporé des gaz de notre atmosphère. Sa présence là où affleure le verre libyque suggère que cet échantillon soit un fragment du bolide qui s'est fragmenté et dont l'explosion en plein ciel a engendré le verre de Libye. Son extraordinaire préservation serait due à son métamorphisme de choc qui l'a transformé en un assemblage résistant à l'érosion ».


Formation du LDG

Figure 28. Dessin d'artiste illustrant ce à quoi a pu ressembler l'événement à l'origine du verre libyque vu depuis l'espace

Dessin d'artiste illustrant ce à quoi a pu ressembler l'événement à l'origine du verre libyque vu depuis l'espace

Explosion d'une comète dans l'atmosphère à plusieurs dizaines de kilomètres de hauteur (30 à 35 km si on en croit l’événement de Tcheliabinsk) au-dessus de ce qui deviendra le désert libyque.

Le dessin original a été initialement dessiné pour représenter l'événement de la Tunguska (1908).


Bien que les mécanismes impliqués dans la formation du LDG fassent encore l'objet de discussions, on peut proposer le scénario suivant :

  1. Une comète percute la haute atmosphère de la Terre à une vitesse qui peut atteindre 70 km/s.
  2. L'impact est oblique avec un angle fermé. La désintégration explosive (mais relativement longue) de la comète dans l'atmosphère développe ainsi un flux radiatif important accompagné d'une onde de choc à haute pression. La combustion de la matière carbonée de la comète accroît encore l'énergie de la collision et augmente la durée du "flash thermique".
  3. Le flux radiatif atteint chauffe et fond les arénites du toit des grès nubiens et il se forme un "lac" de matière fondue très riche en silice dont l'épaisseur est de l'ordre du mètre.
  4. Les conditions physico-chimiques imposent :

    • une température élevée (T > 2000°C) pour expliquer la fusion du quartz, la formation de baddeleyite, de lechateliérite et de wollastonite ;
    • une onde de choc développant une pression élevée (P > 20 GPa) pour expliquer la formation d'enstatite HP, de stishovite, et de quartz choqués ;
    • le mélange des roches terrestres fondues et de ce qui reste de l'objet incident pour expliquer la signature chondritique, la présence d'iridium, les teneurs en éléments sidérophiles et en platinoïdes.
  5. La masse en fusion épaisse de quelques mètres tout au plus se refroidit relativement rapidement (sans avoir le temps de cristalliser) et le LDG se forme.
  6. L'érosion par l'eau a progressivement décapé les niveaux supérieurs des sédiments qui recouvraient les grès de Nubie et a également disloqué la masse de verre.
  7. Le transport fluvial a légèrement dispersé les morceaux de verre et les a apportés sur le sol actuel formé de sable, de grès et de quartzites de Nubie. Ce processus a dû se produire il y a quelques millions d'années, d'après l'étude des phénomènes de spallation provoqués par les rayons cosmiques. Les morceaux de verre sont ensuite alternativement recouverts ou dégagés par du sable mis en mouvement par la migration des dunes.

Conclusion

En toute hypothèse, et avec bien peu d'ambiguïté, les analyses géochimiques réalisées permettent de conclure que le verre libyque est une impactite, née il y a 28,5±0,8 Ma, résultat de la fusion à haute pression et haute température d'une couche terrestre provoquée par l'impact d'un objet extraterrestre d'origine et de signature chondritique ou cométaire. L'objet impacteur aurait explosé dans l'atmosphère. Bien que la roche mère n'ait pas encore été formellement identifiée, elle est vraisemblablement composée par des arénites quartziques jurassiques et crétacées du groupe nubien ou dans l'expression d'une variation latérale locale de faciès. L'absence de cratère, de brèches, de shatter cones … montre que l'immense majorité de la masse de l'impacteur n'a pas atteint la surface. La zone d'influence du "flash thermique" et de l'aérosol initiant la fusion du sol a très probablement été repris par l'érosion dans les derniers 28 Ma, les échantillons en place de LDG se trouvant dans des horizons sédimentaires d'origine fluviatile. Compte tenu de la forme de l'aire de répartition, celle-ci est probablement constituée d'un mélange de verre "quasi en place" et de verre transporté par l'érosion fluviale et marginalement par la paléo-activité humaine. Les quantités de LDG formées ou encore présentes aujourd'hui restent difficiles à déterminer.

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[1] Le mythe de Sisyphe. A. Camus.

[2] Les procédés sol-gel permettent la production de matériaux vitreux sans recourir à la fusion. On connaît ainsi le gel de silice synthétisé à basse température et aux multiples usages industriels et domestiques.

[3] La cristobalite est une forme de haute température de la silice, forme stable à une température >1470°C, métastable en dessous.

[4] La stishovite est un minéral découvert en 1962 dans le cratère météoritique Meteor Crater en Arizona, aux États-Unis. La présence de la stishovite, forme de très haute pression de la silice, est considérée comme une preuve d'impact météoritique quand des cratères d'origine inconnue sont examinés.

[5] La coésite est une forme de haute pression (>2 MPa), que l'on retrouve par exemple dans des roches métamorphiques du faciès écolgitique.

[6] Le rasoir d'Occam ou rasoir d'Ockham est un principe de raisonnement que l'on attribue au frère franciscain et philosophe Guillaume d'Occam (XIVème siècle), mais qui était connu et formulé avant lui. Le principe du rasoir d'Occam consiste à ne pas utiliser de nouvelles hypothèses tant que celles déjà énoncées suffisent, à utiliser autant que possible les hypothèses déjà faites, avant d'en introduire de nouvelles. On l'appelle aussi principe de parcimonie.

[7] La suévite est une roche formée par l'impact d'une météorite sur Terre. Il s'agit d'une brèche d'impact englobant des fragments de la roche mère liés dans une matrice clastique ou partiellement fondue et présentant différents degrés de métamorphisme.

[8] Le nom d'Hypatia vient d'Hypatie d'Alexandrie (370-415), philosophe et mathématicienne habitant Alexandrie pendant l'Antiquité tardive.

Mots clés : verre libyque / verre de Libye, impactite, tectite, stishovite, grès nubien, comète, Hypatia, LDG - Libyan Desert Glass