Les brèches d'impact de l'astroblème de Vredefort, Afrique du Sud

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

07/10/2013

Résumé

Impact de météorite : brèches et pseudotachylites, exemple du site de Bobbejaanrant (Afrique du Sud).


Figure 1. Brèche monogénique autochtone au fond du cratère de Vredefort, Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Brèche monogénique autochtone au fond du cratère de Vredefort, Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Au premier plan (en bas à droite), on voit une brèche entièrement faite de blocs anguleux de quartzites du Witwatersrand (2970 à 2710 Ma). À l'arrière-plan, juste derrière la piste, on devine les bancs de quartzites redressés à la verticale. Entre les deux, on peut encore reconnaître de vagues bancs verticaux, très cataclasés.


Les impacts de météorite produisent une « explosion » qui éjecte une très importante quantité de matériel formant ainsi un cratère d'impact. Le matériel éjecté retombe dans et autour du cratère en formant une couche de brèches, brèches partiellement fondues dans le cas des plus gros impacts. Ces brèches sont constituées de divers fragments, mélanges des divers constituants du substratum, fragments cimentés par de la roche finement broyée re-cimentée à chaud (phénomène de frittage), voire fondue. Ce type de brèche est dite polygénique, justement parce qu'elle est hétérogène et contient divers matériaux du substratum (si celui-ci est lui-même hétérogène). Elles sont aussi dites allochtones, parce qu'elles ont subi un important déplacement (éjection puis retombée).

Le substratum est lui-même fracturé sous (et autour de) l'impact, parfois (mais pas toujours) avec des fractures de type shatter-cones . L'intensité de cette fracturation décroit quand on s'éloigne du fond du cratère. On passe souvent du substratum intact à un substratum fracturé mais non éjecté puis à un niveau de brèche dite monogénique et autochtone. Ces brèches sont constituées de fragments du substratum immédiatement sous-jacent peu ou pas déplacés. On peut passer de manière plus ou moins continue (1) du substratum très fracturé mais sans déplacement relatif entre les blocs à (2) une brèche dans laquelle les éléments sont engrenés comme les pièces d'un puzzle mais avec une fine couche de ciment entre eux, ciment constitué par de la roche finement broyée et consolidée à chaud (phénomène de frittage) voire fondue, puis à (3) une brèche dont les éléments sont franchement séparés et déplacés les uns par rapport aux autres mais sont encore tous de même nature. L'ensemble est alors recouvert de brèches polygéniques allochtones, dont la nature précise dépend aussi de l'intensité du transport, de celle de la fusion…

L'érosion a quasiment enlevé la quasi-totalité des brèches présentes à l'intérieur du cratère de Vredefort, en particulier au niveau du piton central (c'est pour cela qu'on peut y voir des shatter-cones ). Dans certains cas, l'érosion a épargné quelques mètres de brèches monogéniques autochtones. C'est le cas dans le secteur de Bobbejaanrant.

Figure 2. Gros plan sur un affleurement de brèche monogénique autochtone, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Gros plan sur un affleurement de brèche monogénique autochtone, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Plus on va vers le coin inférieur droit des images, plus la fracturation et le déplacement des blocs les uns par rapport aux autres sont importants, et plus la part de ciment semble augmenter.

Détail de la première figure.


Figure 3. Gros plan sur un affleurement de brèche monogénique autochtone, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Gros plan sur un affleurement de brèche monogénique autochtone, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Plus on va vers le coin inférieur droit des images, plus la fracturation et le déplacement des blocs les uns par rapport aux autres sont importants, et plus la part de ciment semble augmenter.

Détail de la première figure.



Figure 5. Gros plan sur la limite subtratum / brèche - site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Gros plan sur la limite subtratum / brèche - site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud


Figure 7. Figures sédimentaires servant de critère d'orientation dans les quartzites du substratum, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Figures sédimentaires servant de critère d'orientation dans les quartzites du substratum, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

À quelques mètres des brèches, le substratum, fait de quartzites verticales, est suffisamment non fracturé pour que l'on puisse y reconnaître des figures sédimentaires, ici des stratifications entrecroisées. Ces figures sédimentaires permettent d'orienter les quartzites : la base de la couche (maintenant verticale) est située à droite.


On trouve un pourcentage significatif de roche fondue dans les brèches. Mais on en trouve aussi dans le substratum, où cette roche fondue forme des veines, et semble en fait « imprégner » des fractures. Ces veines faites de roche fondue sont de couleur très sombre, roche qui ressemble à de la tachylite (verre basaltique) d'où leur nom de pseudotachylite. Ces pseudotachylites sont en général associées aux failles sismiques majeures (fusion due à la chaleur dégagée par les frottements). Elles sont classiquement interprétées de la même manière dans le substratum des impacts : mouvement très rapide et fusion limitée de part et d'autre d'une fracture mise en mouvement par l'impact. Ces veines fondues et vitreuses existent à toutes les échelles, d'une largeur inférieure au millimètre jusqu'à plusieurs centimètres. Ce phénomène peut être très précoce dans l'impact, puisque certains éléments des brèches sont affectés par des veines de pseudotachylites, comme par exemple dans les impactites du cratère de Rochechouart.

Les pseudotachylites ne se trouvent pas qu'en veines associées à des fractures ayant subi un bref et important mouvement. On trouve, sur le site de Bobbejaanrant, des fractures aux formes irrégulières et ramifiées remplies de pseudotachylite, suggérant que le liquide a migré et rempli les ramifications après le mouvement sur la fracture principale plus ou moins rectiligne. On trouve aussi de véritables "poches" de pseudotachylite. Ces remplissages et ces poches peuvent avoir deux origines : (1) expulsion du liquide et faible migration depuis des veines proches, (2) migration plus importante depuis les brèches polygéniques allochtones sus-jacentes, brèches dans lesquelles la part de matériel fondu peut être très importante.



Figure 12. Poche de pseudotachylite, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Poche de pseudotachylite, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Cette géométrie suggère fortement qu'il ne s'agit pas que d'une fusion le long d'une fracture, mais de l'accumulation locale d'un liquide venu d'ailleurs.


Figure 13. Poche de pseudotachylite, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Poche de pseudotachylite, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Cette géométrie suggère fortement qu'il ne s'agit pas que d'une fusion le long d'une fracture, mais de l'accumulation locale d'un liquide venu d'ailleurs. Cette poche de pseudotachylite contient des inclusions arrondies de quartzite, indice d'un déplacement significatif.


Figure 14. Poche de pseudotachylite, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Poche de pseudotachylite, site de Bobbejaanrant, Afrique du Sud

Cette géométrie suggère fortement qu'il ne s'agit pas que d'une fusion le long d'une fracture, mais de l'accumulation locale d'un liquide venu d'ailleurs. Cette poche de pseudotachylite contient des inclusions arrondies de quartzite, indice d'un déplacement significatif.


Figure 15. Localisation des sites de Bobbejaanrant (brèches et psedudotachylites) et de Venterskroon ( shatter-cones ) dans la région de Parys-Vredefort (Afrique du Sud)

Localisation des sites de Bobbejaanrant (brèches et psedudotachylites) et de Venterskroon (shatter-cones) dans la région de Parys-Vredefort (Afrique du Sud)

Les deux sites sont dans la couronne de quartzites verticales du Witwatersrand qui entoure le dôme métamorphique central du cratère. À Venterskroon, l'érosion a été suffisamment importante pour faire complètement disparaître toute les brèches et ne laisser voir que le substratum quartzitique. À Bobbejaanran, l'érosion moins importante ne fait qu'atteindre et "tangenter" la limite brèche/substratum.


Figure 16. Position théorique du site de Bobbejaanrant (dans la couronne périphérique du dôme de socle métamorphique) sur le bloc diagramme par Mc Carthy et Rubidge

Position théorique du site de Bobbejaanrant (dans la couronne périphérique du dôme de socle métamorphique) sur le bloc diagramme par Mc Carthy et Rubidge

Le trait rouge correspond à la surface topographique actuelle. Le site de Bobbejaanrant correspond à un endroit où le niveau d'érosion permet de voir la limite substratum (quartzite) / brèche. Au niveau d'érosion près, le site de Bobbejaanrant correspond à peu près au site de Venterskroon, distant de 25 km. Pour des raisons de dessin, les deux sites ont été représentés diamétralement opposés, ce qui n'est pas le cas sur le terrain.


Figure 17. Position théorique du site de Bobbejaanrant sur le bloc diagramme de Mc Carthy and Rubidge et report sur une vue de la région

Position théorique du site de Bobbejaanrant sur le bloc diagramme de Mc Carthy and Rubidge et report sur une vue de la région

Le trait rouge de la coupe correspond à la surface topographique actuelle. Le site de Bobbejaanrant correspond à un endroit où le niveau d'érosion permet de voir la limite substratum (quartzite) / brèche.


Figure 18. Localisation de la structure de Vredefort en Afrique du Sud

Localisation de la structure de Vredefort en Afrique du Sud