Les shatter cones de l'astroblème de Vredefort, Afrique du Sud

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

30/09/2013

Résumé

Les cônes de percussion comme indices d'impact de météorite.


Figure 1.  Shatter cones (cônes de percussion) sur le bord d'une route à 2 km à l'Ouest de Venterskroon près de la ville de Parys, Afrique du Sud

Shatter cones (cônes de percussion) sur le bord d'une route à 2 km à l'Ouest de Venterskroon près de la ville de Parys, Afrique du Sud

Ces shatter cones représentent l'une des manifestations indiscutables de la présence d'un cratère de météorite dans ce secteur, l'impact de Vredefort, âgé de 2023 Ma. Ces shatter cones sont constitués de fractures coniques affectant des quartzites archéennes (supergroupe du Witswatersrand, 2970 à 2710 Ma). Ces cônes sont approximativement horizontaux ; leurs pointes sont statistiquement dirigées vers l'Ouest et le Nord-Ouest.


La semaine dernière, nous vous avons montré les impacts d'Henbury (Australie), impacts petits et jeunes. Cette semaine, nous vous en montrons un grand et vieux. La région de Parys-Vredefort, au SSO de Johannesburg (Afrique du Sud) se trouve au centre d'un des plus grands et des plus vieux cratères d'impact du monde, la structure de Vredefort. Cet impact date de 2 023 Ma. Très érodé, ce cratère d'impact est assez peu visible dans la morphologie. On ne voit que de vagues structures circulaires concentriques, centrées autour d'un dôme de roches métamorphiques et granitiques d'âge > 3Ga. Ce dôme, appelé dôme de Vredefort, a un rayon d'environ 25 km. Il est ceinturé par les roches (verticalisées) du supergroupe du Witswatersrand (2 970 à 2 710 Ma), principalement des grès et quartzites. Ce sont ces grès et quartzites verticalisés qui forment l'élément morphologique le plus visible. Autour de ce dôme de socle métamorphique et de sa ceinture de quartzites verticales, on trouve une série de rides anticlinales et synclinales grossièrement concentriques, peu visibles dans la morphologie, dont les terrains (sédimentaires) sont âgés de 2 710 à 2 100 Ma. Ces structures concentriques sont (peu) visibles jusqu'à 150 km du centre du dôme. On trouve des shatter cones dans le dôme métamorphique et surtout dans les quartzites périphériques. Les deux tiers Sud et Est de cette structure sont masqués, car recouverts par des sédiments phanérozoïques. Pendant des dizaines d'années, l'origine de ces structures grossièrement concentriques fut l'objet de débats ( metamorphic core complex , intrusion magmatique cachée, cratère d'impact…). La découverte de shatter cones et d'autres roches que nous verrons les deux prochaines semaines ont finalement prouvé que la structure de Vredefort était constituée des restes très érodés d'un très grand cratère d'impact.

On pourra trouver un article de synthèse et une bibliographie sur la structure de Vredeford dans un article de Jean François Moyen (qui m'a montré ces affleurements).

Figure 2. Gros plan sur un bord de route à 2 km à l'Ouest de Venterskroon (Afrique du Sud)

Gros plan sur un bord de route à 2 km à l'Ouest de Venterskroon (Afrique du Sud)

La partie supérieure de l'affleurement, celle qui est affectée par des shatter cones bien visibles, est constituée de quartzites très peu altérées. La partie inférieure est beaucoup plus altérée (roche moins siliceuse) et ne montre pas de shatter cones très visibles.


Figure 3. Un bord de route à 2 km à l'Ouest de Venterskroon (Afrique du Sud)

Un bord de route à 2 km à l'Ouest de Venterskroon (Afrique du Sud)

La partie supérieure de l'affleurement, celle qui est affectée par des shatter cones bien visibles, est constituée de quartzites très peu altérées. La partie inférieure est beaucoup plus altérée (roche moins siliceuse) et ne montre pas de shatter cones très visibles.






Les shatters-cones correspondent à des fractures coniques qui partent d'un sommet (apex) et qui se répètent en cônes emboîtés, chaque cône d'ordre n+1 naissant sur une surface d'un cône d'ordre n (structures dites «  cone in cone  »). On ne trouve ces structures que dans deux contextes : sous le fond des cratères d'impacts ou associés aux explosions nucléaires souterraines. Sauf en cas de déplacements ultérieurs, la pointe des cônes est approximativement dirigée vers le point d'impact (ou de l'explosion nucléaire). L'origine précise de cette géométrie est loin d'être comprise. Ces fractures coniques seraient dues au passage d'une onde de choc de très haute pression (> 2 GPa). Ces shatter cones sont d'origine très précoce, avant la fin de l'éjection du matériel hors du cratère, puisqu'on peut en retrouver dans les brèches retombées dans ou autour du cratère (c'est le cas à Rochechouart). Ils sont particulièrement bien marqués dans les roches homogènes et isotropes comme les quartzites, beaucoup moins visibles dans les roches telles que gneiss et migmatites. Malgré leur genèse très imparfaitement comprise, la présence de cônes de percussion est un indice très fort de la présence d'un impact de météorite (quand l'érosion en a effacé la morphologie).

Figure 8. Représentation extrêmement schématique, simplifiée et idéalisée de ce que pourrait être la genèse des shatter cones dans un volume rocheux

Représentation extrêmement schématique, simplifiée et idéalisée de ce que pourrait être la genèse des shatter cones dans un volume rocheux

L'impact de météorite (ou l'explosion nucléaire souterraine) a été figurée ici par un coup de marteau. Une fissure conique ( shatte-cone d'ordre 1) se développe juste sous la zone de choc. Sur la fissure conique du shatter cone d'ordre 1 se développent des shatter cones d'ordre 2, sur lesquels peuvent se développer des cônes d'ordre 3, puis 4… non représentés ici. Les shatter cones d'ordre n+1 se développent n'importe où sur la surface du cône d'ordre n, contrairement à ce qui est dessiné ici. En effet, pour des raisons de simplification et de lisibilité, nous n'avons dessiné que deux ordres de shatter cones , les cônes d'ordre 2 partant tous d'un même niveau du cône d'ordre 1, ce qui n'est bien sûr pas le cas dans la nature. De plus, dans la nature, un impact n'est pas non plus une zone ponctuelle contrairement à un coup de marteau ; le diamètre de la météorite de Vredefort dépassait sans doute 10 km.



Dans la structure de Vredefort, on trouve des shatter cones dans le dôme métamorphique central et surtout dans ses quartzites périphériques (du fait de la nature de ces dernières). Dans ces quartzites, ils sont très majoritairement horizontaux. Mais on en a trouvé jusqu'à 75 km du centre du dôme. Des brèches d'impact plus ou moins fondues ont été trouvées jusqu'à 150 km du centre de la structure. La localisation des shatter cones , leur orientation, la répartition des brèches d'impacts, la faible visibilité des structures concentriques… pose le problème de la taille réelle du cratère et de sa géométrie. La genèse des cratères d'impact est détaillée, entre autres, dans l'article Les impacts dans le système solaire . Les cratères de grande taille, comme c'est le cas de Vredefort, sont des cratères complexes (avec piton central) ou des bassins (avec anneau central) à cause des phénomènes de rebond affectant leur centre. À Vredefort, le dôme métamorphique central (rayon d'environ 25 km) et sa périphérie de quartzites verticalisées correspondent certainement au piton/anneau central. L'état actuel de l'érosion empêche de savoir si cette structure centrale avait un centre déprimé ou non (anneau ou piton ?). Peut-être une étude systématique de la foliation dans les roches métamorphique de ce dôme permettrait-elle de savoir s'il s'agissait d'un piton ou d'un anneau.

La limité externe véritable de la cavité est plus difficile à déterminer, même pour les cratères peu érodés. En effet, à l'extérieur de la cavité directement creusée par l'impact, des phénomènes d'effondrement, des failles normales… font s'effondrer la bordure externe de la cavité vers son centre, créant des terrasses internes et agrandissant le diamètre apparent de la dépression finale. Il n'y a pas de consensus sur les dimensions véritables de la cavité initiale par rapport aux dimensions de la cavité terminale, elle-même très érodée et localisée très imparfaitement. On peut proposer que la cavité initiale à Vredefort mesurait 150 à 200 km de diamètre, pour une cavité terminale d'environ 300 km de diamètre.

Figure 10. Vue du secteur de Parys-Vredefort, Afrique du Sud

Vue du secteur de Parys-Vredefort, Afrique du Sud

Le quart de cercle très visible qui va du coin SO au coin NE correspond aux couches verticales des quartzites du Witswatersrand. Parce que ce sont les roches les plus dures de la région, ce sont elles qui dominent la morphologie. À l'intérieur de ce quart ce cercle (au SE), la zone déprimée correspond au dôme de roches métamorphiques archéennes. À l'extérieur de ce quart ce cercle (au NO), les roches sédimentaires de l'Archéen Supérieur / Protérozoïque inférieur. Les photos des shatter cones ont été prises au niveau de la punaise jaune.


Figure 11. Vues brute et sommairement interprétée de la structure de Vredefort, Afrique du Sud

Vues brute et sommairement interprétée de la structure de Vredefort, Afrique du Sud

Les pointillés verts correspondent à des fragments d'arcs de cercle visibles sur Google earth. L'arc constitué des quartzites du Witswatersrand correspond au plus interne de ces arcs. Les ellipses pointillées rouges correspondent à l'extrapolation de ces arcs de cercle. Les shatter cones de Venterskroon ont été photographiés au niveau du "V" jaune. "J" correspond à la ville de Johannesburg, et "P" à la ville de Parys.


Figure 12. Proposition d'interprétation de la structure de Vredefort, Afrique du Sud

Proposition d'interprétation de la structure de Vredefort, Afrique du Sud

Cette interprétation est obtenue en juxtaposant et reliant l'image Google earth interprétée et le bloc diagramme interprétatif proposé par Mc Carthy and Rubidge, 2005, modifié. Le supergroupe du Witswatersrand et ses couches de quartzites correspondent à la base des roches sédimentaires figurées en orangé sur le bloc diagramme. Le redressement de ces couches à la verticale est particulièrement visible. Le niveau de la surface topographique actuelle est représenté par la ligne rouge. Les shater-cones des photos précédentes ont été prises sur le site de Venterskroon.


Figure 13. Comparaison / juxtaposition entre le bloc diagramme du Vredefort de Mc Carthy and Rubidge (2005, modifié) et le cratère lunaire de Copernic (100 km de diamètre, image Lunar Orbiter IV / Google earth)

Comparaison / juxtaposition entre le bloc diagramme du Vredefort de Mc Carthy and Rubidge (2005, modifié) et le cratère lunaire de Copernic (100 km de diamètre, image Lunar Orbiter IV / Google earth)

Les proportions entre les différentes parties de ces deux cratères sont remarquablement semblables.


Figure 14. Vue sur le couches verticales de quartzite du supergroupe du Witswatersrand, qui ceinturent le dôme central et où ont été prises les photos de shatter cones

Vue sur le couches verticales de quartzite du supergroupe du Witswatersrand, qui ceinturent le dôme central et où ont été prises les photos de shatter cones

Le site de Venterskroon est figuré par la punaise jaune.


Figure 15. Agrandissement du bloc diagramme de Mc Carthy and Rubidge centré sur le dôme central de la structure de Vredefort

Agrandissement du bloc diagramme de Mc Carthy and Rubidge centré sur le dôme central de la structure de Vredefort

La position horizontale des shatter cones de Venterskroon a été figurée par le cône strié de traits bleus. On voit qu'à ce niveau, les couches sédimentaires (en orangé) ont été verticalisées (et même légèrement renversées) par le rebond et la formation du dôme central. Théoriquement, la pointe des shatter cones est dirigée en direction du point d'impact, c'est-à-dire verticalement, pointe vers le haut, peut-être légèrement incliné vers la droite (vers l'Est). Ces cônes ont été générés très précocement, pendant le passage de l'onde de choc de haute pression. Dans les secondes et minutes qui ont suivi, des phénomènes de rebonds ont engendré le piton central, en redressant à la verticale des couches initialement horizontales. Cette rotation de 90° des quartzites a bien sûr entraîné la rotation des shatter cones . Initialement verticaux, les cônes se sont retrouvés à l'horizontale, la pointe dirigée vers l'Ouest.


Figure 16. Localisation de la structure de Vredefort en Afrique du Sud

Localisation de la structure de Vredefort en Afrique du Sud