Des zircons découverts en zone subarctique canadienne attestent d’un lointain passé brûlant

Publié le 31.08.2018

Les endroits les plus inhospitaliers de la planète hébergent parfois des traces d’un lointain passé insoupçonné. Au cours des périodes géologiques, l’environnement de la Terre a pu varier au point que pour un lieu donné, les conditions ont basculé d’un extrême à l’autre. Ainsi, on a pu retrouver dans des roches issues d’un milieu subarctique, soumises actuellement à des températures glaciales, les preuves de l’existence de conditions brûlantes d’une période désormais révolue.

Une équipe internationale de chercheurs a étudié le cratère météoritique du lac Mistastin, de 28 km de diamètre, daté de 37,8 millions d’années (Éocène supérieur) et situé dans la région du Labrador (province de Terre-Neuve-et-Labrador) au Canada. Ils se sont particulièrement intéressés aux conditions thermiques générées lors de l’impact correspondant sur la croûte terrestre. En effet, lorsqu’un impacteur (corps céleste de type comète ou astéroïde) percute la surface terrestre, la propagation de l’onde de choc peut faire fondre et vaporiser leurs roches respectives.

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Lac Mistastin
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Ce phénomène peut alors engendrer un métamorphisme [1] de très haute température, ce qui entraîne des effets sur l’évolution de la surface des planètes et des astéroïdes qui ont subi ce genre de cataclysme. Ainsi, la chaleur dégagée lors de tels impacts a pu profondément transformer la Terre primitive lorsque les bombardements météoritiques étaient particulièrement intenses, cela ayant pu avoir des conséquences sur son évolution géodynamique et son habitabilité. Les chercheurs considéraient jusqu’à présent, que les températures extrêmes de fusion étaient inconnues pour ce type d’impact, ce qui a pour conséquence que les effets de la fusion des roches ont pu être sous-évalués dans le cadre de l’étude de l’évolution des surfaces planétaires. Dans certains cas, on peut retrouver des sphérules vitreuses et d’autres types de microtectites [2], ce qui accrédite l’apparition d’une condensation de vapeur silicatée dans l’atmosphère. Exceptionnellement, on retrouve dans les sphérules des inclusions de magnésiowüstites [(Mg,Fe)O] enrichies en nickel, ce qui indique une température de condensation supérieure à 2 300 °C ; mais il n’existe malheureusement pas de géothermomètres étalonnés au-delà de 2 000 °C en ce qui concerne les roches fondues issues d’impact. Généralement, les modèles considèrent que les températures de fusion se situent aux alentours de 1 700 °C et dans de rares cas au-delà de 2 000 °C. Dans cette étude, les scientifiques ont observé la couronne réactionnelle présente autour de cristaux de zircon (ZrSiO4). Ils ont analysé plus particulièrement la microstructure de l’oxyde de zirconium (ZrO2) produit durant la dissociation thermique du zircon dans des verres d’impact issus du cratère de Mistastin. La dissociation du zircon et l’enchaînement dans la formation des différents polymorphes de l’oxyde de zirconium en fonction de l’augmentation de température étant bien connue (baddéleyite → oxyde de zirconium tétragonal → oxyde de zirconium cubique), cela peut constituer un géothermomètre pour évaluer l’évolution thermique des roches fondues à très hautes températures. L’étude cristallographique a notamment révélé ici la présence d’oxyde de zirconium dans sa forme cubique, ce qui implique que la température de fusion liée à l’impact était nécessairement supérieure à 2 370 °C, valeur plus élevée que ce qui est communément admis dans un tel cas de figure.

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La face visible de la Lune et ses cratères, ce qui nous laisse imaginer l’ampleur du bombardement sur la Terre primitive
Crédit photo : NASA
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Cette constatation pourrait aider à comprendre l’évolution de la croûte primitive de la planète lorsque le taux d’impact était très élevé, sans commune mesure avec celui que nous connaissons aujourd’hui, la croûte étant alors sans cesse remaniée par des structures d’impact semblables au cratère de Mistastin, mais aussi très certainement par des structures cataclysmiques bien plus importantes. Les grains de zircon étudiés sont contenus dans une roche vitreuse produite lors de la fusion consécutive à l’impact ayant formé le cratère, l’échantillon provenant du lieu-dit « Discovery Hill ». Les études microstructurales, géochronologiques et thermodynamiques ont conduit les scientifiques à supposer que ces zircons ont été soumis à de très hautes températures mais à de faibles pressions. Ils ont ainsi pu déterminer qu’il s’agit de xénocristaux [3] provenant d’une des roches plutoniques [4] impactées par le bolide extra-terrestre. Les zircons n’auraient pas été directement affectés par les hautes pressions liées à l’onde de choc mais auraient néanmoins été entraînés avec les produits de fusion dans le cratère d’impact. La formation de la couronne d’oxyde de zirconium observée autour des cristaux de zircon est interprétée comme résultant des effets thermiques suite à leur immersion dans un liquide en fusion extrêmement chaud créé par l’impact mais à pression ambiante. La présence d’oxyde de zirconium sous forme cubique dans la couronne implique que les grains de zircon et le liquide de fusion qui les contenait était soumis au minimum à une température de 2 370 °C mais sans excéder les 2 700 °C, température qui aurait fait fondre et disparaitre cet oxyde de zirconium particulier. Les scientifiques se félicitent d’être les premiers à avoir pu déterminer un minimum de température de 2 370 °C dans une telle roche issue de la fusion résultant d’un impact, dépassant de plusieurs centaines de degrés les températures classiquement estimées pour la genèse de ce type de roches. La présence d’une matrice vitreuse atteste que la durée d’exposition à de très hautes températures a été de courte durée et que la roche s’est refroidie rapidement. Les chercheurs soulignent néanmoins que pour les impacts de plus grande ampleur, avec un volume plus important de matière fondue et qui par conséquent ont un taux de refroidissement plus lent, il peut se produire un phénomène de digestion et de disparition complète des xénocristaux de zircon par destruction thermique, éliminant toute preuve minéralogique des températures extrêmes générées par ces gros impacts. C’est ce qui aurait pu se produire à l’Hadéen (période géologique s’étendant depuis 4,6 milliards d’années environ, âge de la formation de la Terre, jusqu’à moins 4 milliards d’années). En effet, il a été constaté que les zircons sont rarement conservés durant cette période où la Terre primitive était soumise à un intense bombardement météoritique.

Le zircon étant un minéral accessoire relativement commun dans de nombreuses roches, cette méthode pourrait être utilisée pour déterminer la température minimale de formation des roches terrestres générées suite à un impact, tout autant que pour les roches lunaires et les météorites. Les chercheurs ont montré que même pour un impact relativement modeste comme celui de Mistastin, les températures ont pu atteindre localement des valeurs très élevées, de sorte que les conséquences sur la constitution de la surface de la Terre primitive devront être précisées lors de futures investigations.

Ludovic Hamiaux, INIST-CNRS

[1]Lien Wikipédia sur métamorphisme.

[2]Lien Wikipédia sur tectite.

[3]Lien du Wiktionnaire sur xénocristal.

[4]Lien Wikipédia sur roche plutonique.

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