Les méga-brèches et les éjectas fondus du cratère de Popigai (Sibérie), comparaison avec le cratère lunaire Tycho

Patrice Bruneton

Ex-géologue chez AREVA

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

19/06/2017

Résumé

Tagamites prismées et brèches d'impact à méga-blocs de l'astroblème de Popigai, vues sur un cratère équivalent préservé sur la Lune.


Figure 1. Les falaises des Motley Rocks creusées par la rivière Rassokha à travers les éjectas de l'astroblème de Popigai, Sibérie

Ce cratère âgé de 35,7 Ma et d'un diamètre d'environ 100 km est l'un des mieux préservés parmi les cratères terrestre d'un diamètre supérieur ou égal à 100 km. Malgré les 35 millions d'années d'érosion, sa morphologie est visible sur les images satellite, et les éjectas qui en tapissaient le fond sont souvent bien conservés. Les falaises des Motley Rocks permettent de voir des coupes de ces éjectas sur 100 à 150 m de hauteur. Même vus de loin, on voit que les 3/4 inférieurs de cette falaise sont constitués de méga-brèches, avec des blocs pouvant atteindre 40 à 50 m de diamètre, blocs inclus dans une matrice à granulométrie variable mais plus fine. À gauche du centre de l'image, cette méga-brèche est surmontée d'une roche plus sombre qui présente une vague prismation. Cette roche est vitreuse et contient quelques inclusions "métriques" semblables à celles de la méga-brèche. Cette roche vitreuse est constituée d'éjectas qui ont subi une très importante fusion et est localement appelée tagamite.


Le cratère de Popigai, en Sibérie, âgé de 35,7 Ma et d'un diamètre d'environ 100 km, est le mieux préservé des quatre cratères terrestre qui ont un diamètre supérieur ou égal à 100 km. Lors d'un séjour en Russie en 2002, Patrice Bruneton (travaillant alors chez AREVA) y a effectué un bref voyage en hélicoptère. Il en a ramené des photographies assez exceptionnelles. Merci à lui d'avoir autorisé Planet-Terre à les diffuser. Dans le site qu'il a visité, les falaises des Motley Rocks , on peut voir plusieurs coupes de 100 à 150 m d'épaisseur. Les parties inférieures de ces coupes sont constituées de méga-brèches d'impact, avec des blocs éjectés et retombés pouvant atteindre 40 à 50 mètres de diamètre. Ces méga-blocs sont inclus dans une matrice à granulométrie variable mais plus "fine" (du décamètre au centimètre). Cette méga-brèche est surmontée d'éjectas qui ont subi une très importante fusion. La majorité du volume de cette roche "fondue" (localement appelée tagamite) est constituée de verre, verre contenant quelques inclusions "métriques" semblables à celles de la méga-brèche. Cette couche de roche fondue lors de l'impact s'est refroidie et, comme les coulées de roches volcaniques, a acquis un débit en prisme.

Le cratère de Popigai est également connu pour ses éjectas contenant des minéraux d'ultra-haute pression dont des diamants.

On peut avoir des compléments scientifiques sur ce cratère grâce à des articles disponibles sur le web, comme Impactites and rares minerals et l'article de S.A. Vishnevsky, chercheur à l'Institut de géologie et de minéralogie de Novosibirsk, The Popigai astrobleme (Arctic Siberia, Russia): Unique test site for study of various aspects of large-scale impact cratering and first class object of UNESCO geological heritage , article contenant de nombreuses références bibliographiques. Des généralités sur les cratères terrestres et extraterrestres sont à retrouver dans Les impacts dans le système solaire .

Dans l'article de cette semaine, nous vous montrons 15 photographies de Popigai, surtout des photographies à l'échelle du paysage, prises d'hélicoptère ou du sol, une image satellite, et deux cartes. Nous avons déjà traité Vredefort en Afrique du Sud (cf. Les shatter cones de l'astroblème de Vredefort, Afrique du Sud , Les brèches d'impact de l'astroblème de Vredefort, Afrique du Sud et Les brèches d'impact pseudotachylitiques ( impact melt rock ) de l'astroblème Vredefort, secteur de Parys, Afrique du Sud ), dont les roches et les affleurements type bord de route ou carrière sont justement célèbres et photogéniques. Et il y a bien sûr Rochechouart qui a donné lieu à trois articles (cf. L'astroblème de Rochechouart–Chassenon et ses impactites , Impact d'un astéroïde géocroiseur et métamorphisme de choc, cas de l'astroblème de Rochechouart–Chassenon et À la rencontre de l'astroblème de Rochechouart–Chassenon ), et dont l'intérêt le plus spectaculaire se voit surtout à l'échelle de la roche (les célèbres « brèches »). Pour compléter ces 3 échelles d'observation (paysage, affleurement, roche), il manque l'échelle globale où l'on peut observer le cratère et ses éjectas dans leur ensemble. Pour cela, nous vous montrerons cinq photographies du cratère Tycho sur la Lune, "jeune" cratère âgé de 108 Ma, qui a le même diamètre que Popigai, et qui est bien sûr beaucoup mieux conservé du fait de l'absence d'érosion sur la Lune. On pourra alors replacer par la pensée les affleurements et paysages (ce que l'érosion a bien voulu épargner) de Popigai en regard d'un "cousin" de même taille, mais parfaitement intact.

Figure 2. Vue sur les falaises des Motley Rocks , cratère de Popigai, Sibérie

Les méga-brèches de base contiennent un méga-bloc d'une quarantaine de mètres de diamètre. La taille de ce méga-bloc éjecté puis retombé dans le cratère atteste de la puissance de l'explosion. L'érosion a épargné une "butte témoin" de tagamite, éjectas presque totalement fondus lors de l'impact. La prismation de la tagamite est bien visible.


Figure 3. Vue sur la partie amont des falaises des Motley Rocks , cratère de Popigai, Sibérie

Les méga-brèches de base contiennent un méga-bloc d'une quarantaine de mètres de diamètre. La taille de ce méga-bloc éjecté puis retombé dans le cratère atteste de la puissance de l'explosion. L'érosion a épargné une "butte témoin" de tagamite, éjectas presque totalement fondus lors de l'impact. La prismation de la tagamite est bien visible.


Figure 4. Vue sur la partie aval des falaises des Motley Rocks , cratère de Popigai, Sibérie

La méga-brèche est invisible car presque entièrement recouverte d'éboulis. La tagamite sommitale, grossièrement prismée, affleure très largement. On devine sa prismation grossière.




Figure 7. Vue d'hélicoptère montrant un vaste secteur des falaises des Motley Rocks , cratère de Popigai, Sibérie

La mosaïque de la figure précédente concerne la partie gauche de cette image.


Figure 8. Vue d'hélicoptère de falaises de tagamite, astroblème de Popigai, Sibérie

La tagamite est constituée d'éjectas fondus lors de l'impact et largement constitués de roches vitreuses contenant un faible pourcentage d'enclaves ayant échappé à la fusion.

Une prismation grossière est bien visible.


Figure 9. Zoom (agrandi au maximum possible) sur la falaises de tagamite, astroblème de Popigai, Sibérie

On voit bien une prismation grossière, et les enclaves claires (roches non fondues) incluses dans la matrice vitreuse plus sombre. À gauche de l'image, on voit une fracture séparant deux prismes traverser l'une de ces enclaves non fondues. Une situation qui n'est pas sans rappeler les nodules de péridotite traversés par des limites de prismes dans des coulées basaltiques (cf. Quand des nodules de péridotite sont fracturés par la prismation des basaltes, coulée du Ray Pic, Burzet (Ardèche) ).


Figure 10. Vue sur le contact tagamite / méga-brèche, astroblème de Popigai, Sibérie


Figure 11. Zoom sur le contact tagamite/méga-brèche, astroblème de Popigai, Sibérie




Figure 14. En se dirigeant à pied vers les falaises d'impactites, à quelques kilomètres des Motley Rocks , Sibérie

Dès qu'on s'approche d'une autre falaise d'impactites, on voit bien sa nature bréchique.


Figure 15. En se dirigeant à pied vers les falaises d'impactites, à quelques kilomètres des Motley Rocks , Sibérie

Dès qu'on s'approche de cette autre falaise d'impactites, on voit bien sa nature bréchique..


Figure 16. Vue satellite de la région de l'astroblème de Popigai, Sibérie

L'astroblème proprement dit correspond à la tache elliptique plus sombre au centre de l'image (D≈100 km). La morphologie initiale du cratère a disparu, mais des structures concentriques se devinent à l'intérieur de la structure. La punaise jaune localise les falaises des Motley Rocks , sur le bord interne occidental de la structure.

Localisation des Motley Rocks sur Google Earth via le fichier Popigai.kmz.


Figure 17. Cartes, topographique et géologique simplifiée, approximativement à la même échelle de l'astroblème de Popigai, Sibérie

Les rectangles rouges localisent la position approximative des falaises des Motley Rocks .


Malgré l'ampleur des paysages et des affleurements visibles à Popigai, 35 millions d'années d'érosion et un couvert forestier relativement dense ne permettent pas, même avec des images satellites, de se rendre compte de ce à quoi peut ressembler un cratère d'impact de 100 km de diamètre dans les jours ou semaines qui suivent l'impact. On découvre à Popigai que des blocs rocheux de plusieurs dizaines de mètres de diamètre ont été éjectés et sont retombés (à l'intérieur du cratère dans le cas de Popigai). De tels blocs ont-ils pu être éjectés à l'extérieur, loin des bords du cratère, et quelle morphologie a pu être engendrée par la chute de tels "monstres" ? On voit à Popigai des lambeaux "résiduels" de roches fondues par l'impact affleurer sur plusieurs km2. Cela a-t-il pu former de véritable nappe de "magma" et à quoi pouvaient ressembler ces "lacs" de roches fondues juste après leur solidification ? L'étude du cratère lunaire Tycho, de même taille que Popigai, et "à peine" plus vieux (108 Ma) permet de répondre partiellement à ces deux questions.

Figure 18. Vue globale du cratère Tycho et de ses environs sur la Lune

Le cratère Tycho est entouré de "chaines" de petits cratères alignés radialement au centre de Tycho. Ces chaines de petits cratères ont été faites par des "rafales" de débris éjectés "à la queue leu-leu" du cratère principal. Ces chaines de cratères sont appelé cratères secondaires ( secondaries , en anglais). Ces cratères secondaires ont sans doute été creusés par des blocs aussi (ou plus) gros que ceux visibles dans les falaises des Motley Rocks .

Entre le piton central et les terrasses bordières, le fond plat pourrait correspondre à la surface d'un "lac de lave" solidifié, lave engendrée par l'énergie libérée par l'impact.


Figure 19. Détails sur les chaines de cratères secondaires visibles au Nord-Est de Tycho, sur la Lune

En bas à gauche, localisation de l'image principale (rectangle rouge) par rapport au cratère Tycho.


Figure 20. Zoom sur les chaines de cratères secondaires du Nord-Est de Tycho, sur la Lune

En haut à droite, un giga-bloc de Popigai, analogue probable des débris issus de Tycho ayant engendré ces chaines de cratères secondaires.


Figure 21. Zoom oblique sur le centre du cratère lunaire Tycho

La montagne du centre, qui correspond au piton central, est entourée d'une surface boursoufflée et crevassée, qui ressemble (en beaucoup plus grand) à la surface des lacs de lave figée tel qu'on peut en voir à Hawaii, en Éthiopie… Cette surface est un analogue probable de l'aspect du remplissage de Popigai dans les semaines et mois qui ont suivi l'impact.


Figure 22. Détail du pied du rempart Sud du cratère lunaire Tycho

Ce qui ressemble à des coulées de roche fondue de plusieurs centaines de mètres de large a "coulé" du haut du cratère vers le bas. Il devait en être de même sur les flancs internes de Popigai.