Introduction
Il y a deux milliards d’années, un bloc rocheux de 20 à 25 kilomètres de diamètre a percuté ce qui est aujourd’hui la province de l’État-Libre, en Afrique du Sud : il a creusé une cavité d’environ 250 kilomètres de large et redressé à la verticale une tranche de croûte terrestre de 25 kilomètres. Ce chiffre de 20 à 25 kilomètres provient d’une réanalyse publiée en 2022 dans le Journal of Geophysical Research : Planets, et il fait de l’impacteur de Vredefort un objet plus gros que l’astéroïde qui a tué les dinosaures.
Le cratère lui-même a disparu. Il en reste le dôme de Vredefort, une structure érodée d’environ 90 kilomètres de diamètre, ceinturée de collines, qui marque le pic de rebond au centre exact de la plus grande structure d’impact confirmée sur Terre. En 2022, une série de simulations numériques a révisé la taille de l’objet qui l’a formée.
Quelle était la taille de l’astéroïde qui a formé le cratère de Vredefort ?
Pendant des décennies, la réponse des manuels a été un objet d’environ 15 kilomètres de diamètre lancé à 15 kilomètres par seconde. Cette combinaison produit un cratère d’environ 172 kilomètres de large. Le problème, c’est que les indices géologiques de Vredefort désignent un cratère bien plus grand. Comme l’écrivait l’équipe d’Allen en 2022, « les estimations couramment utilisées tournent autour de 170 à 300 km de diamètre, la plupart penchant vers le haut de cette fourchette (250–280 km) ».
En 2022, une équipe dirigée par Natalie Allen, qui avait commencé ce travail comme projet de cours en licence à l’université de Rochester avant de le publier comme doctorante à l’université Johns Hopkins, a cherché à réconcilier l’impacteur et le cratère. Avec Miki Nakajima, professeure adjointe en sciences de la Terre et de l’environnement à Rochester, ainsi que Kai Wünnemann, du Museum für Naturkunde de Berlin, Søren Helhoski et Dustin Trail, Allen a mené des simulations d’impact avec le code de physique des chocs iSALE. Leur article, « A Revision of the Formation Conditions of the Vredefort Crater », a paru dans le Journal of Geophysical Research : Planets le 8 août 2022.
Les simulations ont montré que, pour creuser un cratère d’environ 250 kilomètres de large, l’impacteur devait être bien plus gros que 15 kilomètres. Deux combinaisons concordent avec les indices. Comme l’écrivent les auteurs, « nous avons trouvé qu’un impacteur de 20 km arrivant à 25 km/s crée un cratère de la taille de Vredefort » ; un objet de 25 kilomètres de diamètre frappant à 15 kilomètres par seconde convient tout aussi bien. L’équipe a résumé l’impacteur à un objet de 20 à 25 kilomètres de diamètre, se déplaçant entre 15 et 25 kilomètres par seconde.
Le modèle ne s’est pas contenté de retrouver le diamètre du cratère. Il a reproduit la répartition des marques de choc encore visibles aujourd’hui dans la roche : brèches, cônes de percussion (shatter cones) et éléments de déformation planaires dans le quartz. Cette concordance a confirmé qu’un impacteur plus gros et plus rapide est compatible avec les traces physiques.
Pourquoi il a battu le tueur de dinosaures
L’astéroïde qui a formé le cratère de Chicxulub, au Mexique, il y a 66 millions d’années, celui que l’on associe à l’extinction des dinosaures non aviens, est généralement modélisé avec un diamètre d’environ 10 kilomètres, et Chicxulub mesure environ 180 kilomètres. Un impacteur de Vredefort de 20 à 25 kilomètres est plus gros, et le cratère qu’il a laissé était plus large.
Ce plus gros impacteur n’a laissé aucune couche d’extinction de masse, car il n’y avait presque rien de complexe à tuer. « Contrairement à l’impact de Chicxulub, l’impact de Vredefort n’a laissé aucune trace d’extinction de masse ni d’incendies de forêt, puisqu’il n’existait que des formes de vie unicellulaires et aucun arbre il y a deux milliards d’années », explique Nakajima. « En revanche, l’impact aurait affecté le climat mondial peut-être plus largement que celui de Chicxulub. » Elle ajoute que les poussières et les aérosols auraient bloqué la lumière du soleil et refroidi la surface, et qu’« une fois les poussières et les aérosols retombés, ce qui a pu prendre de quelques heures à une décennie, les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone émis par l’impact auraient fait monter la température mondiale, peut-être de plusieurs degrés, pendant une longue période ».
Les simulations ont aussi suivi l’endroit où les débris sont retombés. Des travaux antérieurs avaient rattaché des éjectas de l’impact à la région de Carélie, dans l’actuelle Russie. Le modèle d’Allen implique qu’il y a deux milliards d’années, la masse continentale portant la Carélie ne se trouvait qu’à environ 2 000 à 2 500 kilomètres du cratère, bien plus près que les deux régions ne le sont aujourd’hui, ce qui offre un moyen de vérifier les reconstructions de la position des continents anciens.
Quel âge a le cratère de Vredefort ?
L’impact s’est produit il y a environ 2,02 milliards d’années, à l’Orosirien, une période de l’ère paléoprotérozoïque. La datation la plus précise provient d’une étude de 1996 de Sandra Kamo, Wolf Uwe Reimold, Thomas Krogh et W. P. Colliston, publiée dans Earth and Planetary Science Letters. Ils ont mesuré un âge uranium-plomb concordant de 2 023 ± 4 millions d’années sur des grains de zircon néoformés et non choqués, pris dans une brèche pseudotachylitique recristallisée près du centre de la structure, un matériau formé au moment même de l’impact.
Cet âge se confirme d’une méthode à l’autre. Les datations argon-argon de pseudotachylytes à coésite et stishovite réalisées par John Spray, Simon Kelley et Reimold en 1995 ont placé l’événement au même moment, et les dykes de granophyre comme les brèches des champs aurifères du Witwatersrand donnent tous des âges d’environ 2 020 millions d’années. Certaines études citent des valeurs légèrement différentes, de 2,019 à 2,020 milliards d’années, mais l’écart est faible.
Les roches de Vredefort sont elles-mêmes bien plus anciennes que l’impact. Le socle de granites et de ceintures de roches vertes du cœur appartient au craton du Kaapvaal et date d’environ 3,1 à 3,5 milliards d’années. L’impact, il y a 2,02 milliards d’années, n’a fait que réarranger une croûte qui existait déjà depuis plus d’un milliard d’années.
Vredefort est-il le plus grand cratère d’impact sur Terre ?
Selon le consensus des spécialistes des impacts, oui : Vredefort est la plus grande structure d’impact confirmée sur Terre. L’UNESCO la décrit comme la structure d’impact météoritique complexe la plus ancienne, la plus grande et la plus profondément érodée du monde, et comme le site du plus important dégagement d’énergie en un seul événement connu sur la planète. Cette description est antérieure à 2020, année où Yarrabubba lui a ravi le titre de « plus ancienne » (voir plus bas). Le cratère d’origine dépassait le bassin de Sudbury, au Canada, large de 200 kilomètres, et le cratère de Chicxulub, d’environ 180 kilomètres.
Le diamètre exact reste incertain, et des sources sérieuses divergent. L’Earth Observatory de la NASA indique que le cratère mesurait « entre 180 et 300 kilomètres de large ». La fourchette de Wikipédia va de 170 à 300 kilomètres. L’équipe d’Allen a retenu un diamètre d’origine de 250 à 280 kilomètres. Des travaux de mise à l’échelle d’Ann Therriault, Richard Grieve et Reimold, en 1997, fondés sur l’extension des marques de choc, indiquaient plutôt environ 300 kilomètres. La documentation de l’UNESCO cite un rayon de 190 kilomètres pour l’ensemble de la zone perturbée, soit environ 380 kilomètres de diamètre (le dossier de candidature parle d’environ 400).
Roger Gibson, de l’université du Witwatersrand, l’un des meilleurs spécialistes de la structure, a expliqué pourquoi il est si difficile d’arrêter ce chiffre. « Si l’on imagine le cratère d’impact d’origine comme un bol peu profond, de ceux dans lesquels on sert à manger, et que l’on puisse le trancher horizontalement, couche après couche, on verrait le diamètre du bol diminuer à chaque tranche retirée », a-t-il déclaré. « C’est pourquoi nous ne pouvons pas fixer catégoriquement où se trouve aujourd’hui le bord. » Plus de deux milliards d’années d’érosion ont tranché la partie supérieure du bol, si bien que la largeur conservée est inférieure à ce que le cratère a jamais été.
Le titre de « plus grand » s’applique aux structures confirmées. La structure de la Terre de Wilkes, enfouie sous l’inlandsis de l’Antarctique de l’Est, serait bien plus grande s’il s’avérait un jour qu’il s’agit d’un cratère d’impact, mais son origine par impact n’est pas confirmée.
Vredefort est-il le plus ancien cratère sur Terre ?
Non, il a perdu ce titre en 2020. La structure d’impact de Yarrabubba, en Australie-Occidentale, a été datée à 2 229 ± 5 millions d’années par une équipe dirigée par Timmons Erickson, alors au Johnson Space Center de la NASA, avec des chercheurs de l’université Curtin. Ils ont mesuré des âges uranium-plomb sur de la monazite et du zircon recristallisés par le choc. Yarrabubba a donc environ 200 millions d’années de plus que Vredefort et détient actuellement le record de la plus ancienne structure d’impact confirmée sur Terre.
Vredefort se classe ainsi deuxième parmi les structures d’impact datées avec précision, devant le bassin de Sudbury, vieux de 1 850 millions d’années. Il existe des candidats plus anciens (la structure de Suavjärvi en Russie, celle de Maniitsoq au Groenland, celle de Dhala en Inde), mais chacun a soit un âge mal contraint, soit des indices contestés quant à son origine même par impact. Parmi ce trio de grands impacts précambriens datés avec précision, Vredefort est le plus grand.
Où se trouve le dôme de Vredefort ?
Le dôme de Vredefort se trouve à environ 120 kilomètres au sud-ouest de Johannesburg, à cheval sur la limite entre les provinces sud-africaines de l’État-Libre et du Nord-Ouest. La petite ville agricole de Vredefort se trouve près du centre géométrique ; la ville plus importante de Parys, sur la rivière Vaal, est le centre touristique local. Koppies et Venterskroon complètent le groupe de localités situées à l’intérieur de la structure. Le Vaal serpente à travers l’anneau de collines, et la partie la plus pentue de son cours traverse le dôme, ce qui crée des rapides et un tracé en tresses inhabituel.
Depuis le sol, l’impact est presque invisible, en raison de sa taille et de l’érosion. Le motif n’apparaît que vu d’avion ou depuis l’orbite, où la moitié nord-ouest du dôme se présente comme un ensemble semi-circulaire de crêtes concentriques. La moitié sud-est est enfouie sous des roches plus jeunes du supergroupe du Karoo, ce qui explique que l’anneau visible forme un croissant et non un cercle complet.
L’UNESCO a inscrit le dôme de Vredefort au patrimoine mondial en 2005 ; c’était le septième site de ce type en Afrique du Sud. Le bien en série couvre environ 30 111 hectares, soit une zone principale de 30 108 hectares et trois éléments satellites d’un hectare chacun, et il est entouré d’une zone tampon de cinq kilomètres destinée à le protéger de l’urbanisation. Le comité l’a inscrit au titre du critère (viii) du patrimoine naturel, en le qualifiant de seul endroit sur Terre qui expose un profil géologique complet d’un astroblème sous le plancher du cratère.
Quelle est la différence entre le dôme de Vredefort et le cratère de Vredefort ?
Les deux noms désignent des choses différentes. Le cratère de Vredefort, ou plus précisément la structure d’impact, est l’ensemble de la structure de 250 à 300 kilomètres creusée par l’astéroïde, dont l’essentiel a été érodé ou se trouve enfoui. Le dôme de Vredefort est le soulèvement central, bien plus petit, au cœur de ce cratère : le pic de rebond de roche qui a jailli vers le haut dans les minutes suivant l’impact, comme l’eau rejaillit en colonne quand on y laisse tomber une pierre.
Lorsqu’un gros objet frappe, le sol s’enfonce d’abord en une cavité transitoire profonde, puis le fond rebondit. À Vredefort, ce rebond a soulevé la croûte profonde d’environ 25 kilomètres et fait pivoter les strates environnantes jusqu’à les redresser presque à la verticale. Le dôme est ce qui a survécu après l’érosion d’environ 8 à 11 kilomètres de roches sus-jacentes ; les modélisateurs d’impacts retiennent généralement environ 10 kilomètres. Mesuré aujourd’hui, l’anneau de collines du dôme s’étend sur environ 70 kilomètres, la structure soulevée dans son ensemble sur environ 90 kilomètres, et le cœur granitique, tout au centre, sur environ 40 kilomètres.
C’est cette érosion profonde qui fait la valeur scientifique de Vredefort. La plupart des cratères s’étudient de haut en bas, à travers leurs fonds et leurs rebords conservés. Vredefort ne peut s’étudier que de bas en haut : l’érosion a entièrement supprimé le bol et mis au jour les roches profondes qui se trouvaient autrefois dessous. En parcourant les 50 kilomètres qui séparent Potchefstroom de Vredefort, on traverse des roches de plus en plus anciennes à chaque kilomètre, pour finir sur des granites de 3,1 à 3,5 milliards d’années qui se trouvaient autrefois à environ 25 kilomètres sous terre. « De telles coupes de croûte mises à nu sont incroyablement rares sur Terre », explique Gibson. « L’avantage supplémentaire, ici, c’est que les roches conservent un enregistrement presque continu couvrant près d’un tiers de l’histoire de la Terre. »
Comment les géologues ont prouvé qu’il s’agissait d’un impact, et non d’un volcan
Pendant la majeure partie du XXe siècle, le dôme de Vredefort a été interprété comme une structure volcanique ou de « cryptoexplosion » montée des profondeurs. Le changement a commencé dans les années 1930, lorsque les géologues américains John Boon et Claude Albritton ont noté l’absence de matériaux volcaniques et la ressemblance avec des sites d’impact connus. En 1961, R. B. Hargraves a décrit des cônes de percussion dans les roches de Vredefort : ces figures de fracture coniques et striées ne se forment que sous le choc extrême d’un impact ou d’une explosion nucléaire. Le dossier s’est consolidé jusqu’au milieu des années 1990, lorsque des études de microdéformation ont confirmé que les éléments planaires du quartz de Vredefort étaient de véritables dégâts de choc et que la datation des zircons a rattaché la déformation à un événement unique, il y a 2,02 milliards d’années. Les géochimistes ont aussi détecté une petite composante météoritique dans la roche fondue.
À Vredefort, les cônes de percussion apparaissent dans des roches situées jusqu’à environ 90 kilomètres du centre. Les éléments de déformation planaires du quartz, des dégâts microscopiques du réseau cristallin qui signent un choc, s’étendent jusqu’à environ 45 kilomètres, et les brèches d’impact jusqu’à environ 150 kilomètres. Ces rayons sont les règles graduées dont les chercheurs se servent pour remonter à un diamètre de cratère de 250 à 300 kilomètres. La structure conserve aussi de la coésite et de la stishovite, des formes de silice denses de haute pression qui, dans des roches aussi proches de la surface, n’ont pu se former que sous le choc d’un impact : une preuve de plus qu’aucun processus géologique lent ne peut imiter.
Dykes de granophyre et pseudotachylite : l’enregistrement de la fusion
Vredefort conserve deux types de roches fondues produites par l’impact, et elles racontent des parties différentes de l’histoire. Le granophyre de Vredefort est un véritable liquide d’impact, une roche liquéfiée par la collision. Il subsiste aujourd’hui sous la forme de neuf dykes connus qui remplissent des fractures verticales du dôme. Dans le cœur granitique, ces dykes atteignent 20 mètres de large et 4 kilomètres de long ; le long de la limite entre le cœur et le collier, ils atteignent 65 mètres de large et 9 kilomètres de long, selon les mesures d’Ann Therriault et de ses collègues. Le granophyre contient environ 20 % en volume de fragments de roche choqués ainsi que des traces géochimiques de l’impacteur lui-même, ce qui en fait les restes drainés de la nappe de fusion qui s’était autrefois accumulée dans le cratère.
Le second type, la brèche pseudotachylitique, forme des veines et des réseaux sombres, des filets millimétriques jusqu’à des corps de plusieurs dizaines de mètres. On les trouve dans tout le dôme et loin dans les champs aurifères du Witwatersrand. Elles se sont formées par une combinaison de fusion par friction, lorsque des blocs de croûte ont glissé les uns contre les autres, et de fusion par décompression, lors de l’effondrement du soulèvement central.
Les roches fondues fixent aussi une limite supérieure à la durée de stabilisation de la structure. Les travaux sur les dykes de granophyre indiquent que leur mise en place s’est faite en deux impulsions ou plus et que la relaxation de la croûte après l’impact a duré de l’ordre d’un million d’années : une longue traîne après un événement dont la phase violente n’a duré que quelques minutes.
Le lien avec l’or : pourquoi Johannesburg doit sa richesse à un astéroïde
Le bassin du Witwatersrand, autour de Vredefort, renferme le plus riche gisement d’or jamais découvert. Il a produit plus de 40 000 tonnes d’or ; les estimations de sa part dans tout l’or jamais extrait vont d’environ un cinquième à près de la moitié, selon les comptes que l’on retient. L’or y a été découvert en 1886, sur la ferme de Langlaagte, près de l’actuelle Johannesburg, et la ruée qui a suivi a bâti la ville. Les mêmes strates aurifères affleurent dans le collier du dôme, à environ 120 kilomètres au sud-ouest.
L’or est antérieur à l’impact : il s’est déposé dans d’anciens sédiments fluviatiles à partir d’il y a environ trois milliards d’années. Mais l’impact pourrait expliquer pourquoi il est encore là pour être exploité. La collision a abaissé par failles et plissé les strates aurifères, en entraînant une partie plus en profondeur et en faisant pivoter les couches selon les arcs concentriques que l’on voit aujourd’hui. Comme l’ont noté Reimold et ses collègues dans leur synthèse sur les roches fondues de la structure, la ressource du Witwatersrand « est aujourd’hui considérée par certains chercheurs comme ayant été préservée de l’érosion principalement en raison de l’abaissement par failles et du plissement des strates aurifères dus à l’impact de Vredefort ». La chaleur de l’impact a aussi relancé la circulation de fluides dans une roche dont les pores d’origine s’étaient refermés depuis longtemps, remaniant la répartition de l’or dans les bancs aurifères (reefs).
La relation fonctionne aussi dans l’autre sens. La structure a suscité au moins 750 publications scientifiques depuis 1937, selon le décompte de sa documentation du patrimoine mondial ; beaucoup portent sur la géologie et les ressources naturelles de Vredefort, et beaucoup doivent leur existence aux forages miniers et d’exploration qui ont mis au jour l’architecture profonde de la structure. L’exploitation minière que l’impact a rendue rentable a fini par cartographier l’impact lui-même.
Lire les anneaux : comment l’impact a réorganisé la croûte
Le motif concentrique visible depuis l’espace est la racine érodée de la déformation du cratère. Autour du cœur de granite, l’impact a renversé et fortement incliné les roches stratifiées du supergroupe du Witwatersrand, les laves du Ventersdorp et le supergroupe du Transvaal. En allant vers l’extérieur, la séquence des âges des roches s’inverse par endroits, résultat de strates repliées sur elles-mêmes. Les couches les plus dures, en particulier les quartzites, résistent à l’érosion et se dressent en crêtes ourlées de blanc du Vredefort Mountainland.
Vredefort est aussi l’une des rares structures d’impact à anneaux multiples sur Terre. Les bassins à anneaux multiples sont courants ailleurs dans le Système solaire (Valhalla, sur Callisto, la lune de Jupiter, en est l’exemple classique), mais sur Terre, l’érosion et la tectonique des plaques les ont presque tous effacés.
Ce que l’impact aurait fait à la planète
Il y a deux milliards d’années, la biosphère terrestre était microbienne. L’atmosphère venait tout juste de commencer à contenir de l’oxygène libre après la Grande Oxydation, et il n’y avait ni plantes, ni animaux, ni forêts à brûler. Un impacteur de 20 à 25 kilomètres aurait tout de même eu des conséquences à l’échelle du globe. Le modèle indique des poussières et des aérosols projetés haut dans l’atmosphère, bloquant la lumière du Soleil et refroidissant la surface assez longtemps pour menacer les organismes photosynthétiques qui existaient alors, suivis d’un rebond d’effet de serre dû au dioxyde de carbone libéré par l’impact, qui aurait pu réchauffer la planète de plusieurs degrés pendant une période prolongée.
Faute de créatures à coquille dure ou de plantes terrestres pour laisser une couche d’extinction fossile, les conséquences climatiques sont reconstituées à partir de la physique plutôt que lues dans un décompte des morts. Un modèle plus précis du plus grand impact sur Terre affine la manière dont les chercheurs simulent d’autres impacts anciens et évaluent ceux à venir.
Questions fréquentes
Quel âge a le cratère de Vredefort ?
L’impact a eu lieu il y a 2 023 ± 4 millions d’années, une date mesurée par datation uranium-plomb de grains de zircon formés par l’impact, dans une étude de 1996 de Kamo, Reimold, Krogh et Colliston. Cela le situe dans la période de l’Orosirien, à l’ère du Paléoprotérozoïque. Les roches qu’il a déformées sont encore bien plus anciennes, remontant à plus de trois milliards d’années.
Quelle était la taille de l’astéroïde qui a frappé Vredefort ?
L’étude d’Allen et al. de 2022 a estimé l’impacteur à 20 à 25 kilomètres de large, se déplaçant à 15 à 25 kilomètres par seconde. C’est plus que l’astéroïde d’environ 10 kilomètres associé au cratère de Chicxulub et à l’extinction des dinosaures. L’ancien chiffre des manuels, un impacteur de 15 kilomètres, produisait un cratère trop petit pour correspondre aux preuves géologiques.
Peut-on visiter le dôme de Vredefort ?
Oui. Le dôme est un site du patrimoine mondial de l’UNESCO situé à environ 120 kilomètres au sud-ouest de Johannesburg, soit environ deux heures de route. La ville de Parys, sur la Vaal, est la principale base pour les visiteurs, et l’on y propose des visites géologiques guidées, de la randonnée et du rafting. La structure est si vaste que sa forme s’apprécie mieux sur des images satellites ou depuis des points de vue en hauteur que depuis un seul endroit au sol.
Pourquoi le cratère de Vredefort est-il important pour l’exploitation de l’or ?
L’impact a déformé le bassin aurifère du Witwatersrand, qui a produit plus de 40 000 tonnes d’or, soit environ 22 % de tout l’or recensé au-dessus du sol. En faisant s’affaisser par failles et plisser les horizons aurifères, l’impact aurait contribué à les préserver de l’érosion, et la chaleur qu’il a dégagée a mis en mouvement des fluides qui ont remodelé le minerai. L’or a été découvert dans ces roches en 1886.
Vredefort est-il toujours le plus ancien cratère d’impact de la Terre ?
Non. Depuis 2020, la structure de Yarrabubba, en Australie-Occidentale, datée de 2 229 ± 5 millions d’années, détient le record de la plus ancienne structure d’impact confirmée, avec environ 200 millions d’années de plus que Vredefort. Vredefort reste la plus grande structure d’impact confirmée et la deuxième plus ancienne à avoir été datée avec précision.
Que sont les cônes de percussion et la pseudotachylite ?
Les cônes de percussion sont des fractures coniques et striées qui se forment dans la roche sous le choc intense d’un impact ; ils comptent parmi les signes diagnostiques de surface d’une structure d’impact. La pseudotachylite est une roche de fusion sombre produite lorsque la roche est fondue par la friction et la décompression pendant l’impact. Les deux abondent à Vredefort et ont contribué à confirmer son origine par impact.
