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Apports de l’étude des météorites et de la Lune à la compréhension de la naissance et de la genèse de la Terre primitive

Géologie – Semestre 1 – Chapitre 1

I] Origine actuelles des météorites et identification sur le terrain des grands impacts.

Les météorites sont des corps pierreux que l’on distinguera des comètes qui sont elles,

majoritairement constituées de glace.

A/ Origine actuelle et repérage sur le terrain des grands impacts

Les météorites qui tombent sur notre planète proviennent de 4 sources différentes.

Majoritairement, elles sont issues de la ceinture d’astéroïdes située entre Mars et Jupiter ou sont

des astéroïdes dits troyens provenant de l’orbite de Jupiter. Dans une moindre mesure, on trouve

les astéroïdes Amor, croisant l’orbite de Mars, et les astéroïdes Apollo qui croisent régulièrement

notre planète. Ces derniers, également appelés géocroiseurs, sont en quelque sorte prisonniers de

notre champ gravitationnel.

Les impacts de météorites s’identifient par des cratères. On

distingue différents types de cratères d’impacts en fonction de la

taille du corps extraterrestre ± 𝟏𝟎𝟎𝒎 et de la roche impactée.

Lorsque la météorite fait moins de 100m de diamètre, celle-

ci traverse l’atmosphère à une vitesse comprise entre 17 et 20 km/s.

Cette vitesse est si importante que l’atmosphère n’a pas le temps de

se refermer derrière le bolide. Cela permet la propagation dans la

haute atmosphère des éjectas. L’énergie cinétique au moment de

l’impact est convertie en chaleur et peut conduire à une sublimation

de la météorite. Les impacts de corps extraterrestre sublimé sont

appelés astroblèmes.

L’impact provoque une onde de compression conduisant à la

fusion de la roche impactée. S’en suit ensuite une onde de

décompression qui favorise la projection, au sein du cratère, de

roches broyées et de matériel fondu formant un mélange appelé

brèche.

On peut retrouver la taille du bolide en prenant en compte le

fait que dans la majorité des cas, le diamètre du cratère est 20 fois

supérieur à celui du bolide. Par ailleurs, ces cratères s’enfoncent de

𝟏

𝟓

è𝒎𝒆 à

𝟏

𝟏𝟎

è𝒎𝒆 selon la rhéologie de la roche (= étude de la

déformation et de l’écoulement de la matière sous l’effet d’une

contrainte appliquée) ( 1

5 pour le granite ;

1

10 pour une roche calcaire)



Lorsque le corps extraterrestre est de taille supérieur

à 100m de diamètre, il apparaît au centre du cratère, un

piton central qui traduit un relâchement très important de la

roche impactée. A ce piton central, sont généralement

associées des zones d’affaissement formant des terrasses

emboitées, matérialisant la violence de l’impact.

B/ Traces complémentaires des grands impacts

Exemple, l’astroblème de Popigaï (du nom de la rivière qui

le traverse) possède un diamètre d’une centaine de kilomètres. (ci

contre). Découvert dans les années 50, ce cratère a été gardé

secret par les russes jusqu’en 2012 pour protéger des intérêts

économiques majeurs. En effet, l’onde de choc provoquée par

l’impact a instantanément transformé le carbone graphite en

diamant.

Lorsqu’un impact se produit sur une roche sédimentaire carbonée (comme c’est le cas à

Popigai) les pressions subies par la roche sont comprises entre 1000 et 5000 GPa, ce qui représente

10 à 50 fois la pression normale

(=1013,25hPa).

A Vredefort, en Afrique du Sud, les

éjectas ont été cimentés par la roche

fondue.



Dans le document ci contre, la roche a été

fracturée et injectée de matériel fondu. Ce type de roche,

caractéristique de la chute d’un corps extraterrestre, est

appelé impactite.

Quartz choqué (SiO2), sous de très hautes pressions le

quartz, originellement gris clair, prend des teintes très

vives : l’oxygène se regroupe autour du silicium et forme

du stishovite (SiO6) sous l’effet de la pression et de la

température.

On parle de Plans de Déformation Associés ou PDF

(Planar Deformation Featurs)

Les tectites sont des roches impactée qui ont fondu et refroidi très rapidement donnant du

verre. Il existe dans le monde 4 grands

champs de tectites d’âges différents qu’il faut

connaître.

Chesapeake (-35Ma ; points bleus)

Nördlinger Ries (-15 Ma ;

Moldavites, points rouges)

Bosumtwi (-1 Ma ; points verts)

Wilkes Land (-0,7 Ma ; cratère

fantôme car il se trouve sous la glace, points

jaunes)

Chicxulub (-65Ma ; péninsule du

Mexique, points bleus).

L’espérance de vie d’un cratère de moins d’un km est inférieur à 1Ma. Certain cratères ont

disparu suite à l’érosion ou à la disparition du plancher océanique qui ne peut pas être plus âgé que

200 Ma.

II] Principaux types de météorites

- Les météorites dites indifférenciées : appelées aussi chondrites, représentent annuellement

85% de ce qui tombe sur Terre.

- Les météorites dites différenciées : il y a les Achondrites riches en calcium et les

Achondrites pauvres en calcium, elles représentent 4% chacune de ce qui est récolté sur Terre soit

8% au total.



- Les météorites dites mixtes : Elles sont

constituées sur le plan chimique, de ce que l’on

trouve dans les Achondrites et dans les Sidérites.

- Les sidérites constituées majoritairement

de fer et de nickel.

Remarque importante : la formation des

planètes telluriques, et donc de la Terre, passe par

l’accrétion des Chondrites. Durant cette accrétion,

il existe une chaleur de désintégration qui va

s’ajouter à la chaleur dégagée par la libération de

l’énergie gravitationnelle. Lorsque la température

dépasse les 1000°C, les Chondrites accumulées

vont se différencier en Achondrites, en météorites

mixtes et/ ou en sidérites, on parle alors de corps

parent (ou protoplanète). Le corps parent traduit

une différenciation chimique de la Chondrite

initiale.

Les SNC (Shergottites, Nakhlites,

Chassignites) sont des météorites martiennes, elles

sont très étudiées car l’objectif est d’utiliser Mars

comme station d’étude des minéraux.

I-/ Les chondrites et leurs apports à la

connaissance de la structure du globe

A/ Principales caractéristiques des chondrites, chimisme et datation

1ère critère : On reconnait une Chondrite à ses régmaglyptes (= matière ayant été arrachée lors

de la pénétration dans l’atmosphère et qui laissent des concavités à la surface de la météorite souvent

comparées à des empreintes de doigts laissés dans la pâte à modeler). Ces aspérités sont creusées lorsque

la météorite, entrant dans l'atmosphère, subit un frottement très important générant une intense

chaleur qui fait partiellement fondre ses parties les moins denses. C’est de la matière qui a été

arrachée lors de la pénétration dans l’atmosphère et qui laisse des concavités à la surface de la

météorite.

2ème critère : Les croûtes de fusion, ce sont des structures bulleuses qui

attestent d’une combustion de la matière à la surface de la météorite. Lorsque

l’on fait une lame mince (photo ci contre) on observe, sur 15 à 75% de la

surface, des cristaux sphériques appelés Chondres. Quand on les observe ils

présentent 2 teintes :

jaune-orangé : Forstérite(olivine), sur Terre elle est prismatique.

violette : L’olivine est sphérique car elle a été cristallisée en apesanteur, elle inclut des

poussières violettes qui attestent d’une cristallisation dans un nuage de corps plus petits qu’on

appelle micrométéorites.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rentr%C3%A9e_atmosph%C3%A9rique



La chimie de la Terre globale, également appelée Terre moyenne, est obtenue en ajoutant les

analyses chimiques de l’atmosphère, de l’hydrosphère, des croûtes continentales et océaniques et de

tous les épanchements magmatiques.

Si l’on compare les pourcentages des

éléments chimiques constituant les chondrites et la

Terre globale, on observe une grande similitude.

Ces données confirment l’hypothèse selon

laquelle la Terre se serait formée par accrétion de

chondrites (et serait donc constituées de

chondrites).

B/ Pétrographie des chondrites

Les chondrites sont des péridotites ferreuses constituées à 45% d’olivine, 25% de pyroxène et

de quelques traces de feldspaths. Exemple d’un feldspath blanc qui peut être présent dans les

météorites : l’Albite ( 𝑁𝑎𝐴𝑙𝑆𝑖3𝑂8 . Egalement présents dans les résidus de météorites, on trouve :

La kamacite : minéral constitué principalement de fer et de 6% de nickel, on l’appelle

Ferrite) ;

La Taénite : constituée de fer et de 30 à 50% de Nickel. On la trouve sous deux formes :

l’Austérite qui est la forme terrestre ; et la troïlite (FeS) qui se forme dans des milieux dépourvus

d’oxygène.

C/ Les types de chondrites

Il existe trois types de chondrites :

Les ordinaires présentent une richesse en fer variable qui permet d’expliquer leur

classification. Si elles sont riches en fer, on les appelle chondrites ordinaires H. Lorsqu’elles sont

pauvres en fer ce sont les chondrites ordinaires L et très pauvres en fer, les chondrites ordinaires LL.

Les chondrites ordinaires sont le matériel de prédilection dans les enveloppes internes de la

Terre.

Les chondrites à enstatites : l’enstatite est un pyroxène magnésien 𝑀𝑔𝑆𝑖𝑂3 . Riches en

fer, elles sont notées EH et pauvres en fer, on les note EL.

Les chondrites carbonées, on en distingue 3 types. Considérées comme étant à l’origine de

l’atmosphère et de l’hydrosphère et comme ayant participé à l’apparition de la biosphère.

C1 contient 6% de carbone, 20 à 22% d’eau et 3,5% de minéraux divers participant à la

réalisation de molécules organiques.

C2 contient 13% d’eau et 2,5% de minéraux divers.

C3 contient 1% d’eau et 0,5% de minéraux divers

On notera que C2 et C3 sont appauvries en eau.



La densité des chondrites est comprise entre 2,5 et 3,8. Plus la densité est importante et plus

la chondrite considérée est porteuse de fer.

II-/ Les météorites différenciées : modalités de formation et intérêts

A/ Les météorites différenciées : modèles d’apparition

Pour comprendre la structure de la Terre interne, il a fallu la modéliser.

En noir, on a représenté tout

ce qui est métallique, c'est-à-dire le

fer et le nickel.

En jaune, ce sont les

minéraux riches en calcium, en

sodium et en aluminium.

En vert, les minéraux

ferromagnésiens tels que l’olivine.

L’accrétion chondritique conduit à la formation d’un corps parent dont le rayon est inférieur

à 100km (dans cet exemple). A ce stade, la chaleur dégagée et la force gravitationnelle conduisent à

la différenciation chimique selon un gradient de densité. Ainsi, le fer et le nickel qui sont les éléments

les plus denses, migrent vers le centre du corps parent formant ainsi le noyau de la protoplanète.

La périphérie est constituée de minéraux rappelant la composition du basalte mais la

température est telle que la surface est liquide.

Le refroidissement du corps parent s’engage et

des enveloppes concentriques se forment (document ci

contre). Dans cet exemple, le noyau est solidifié à 80%, un

océan magmatique peut apparaître si la protoplanète

présente un rayon supérieur à 500km.

Les enveloppes les plus externes (C et D) sont

parcourues par des chenaux permettant les ultimes

migrations des éléments les plus denses vers le noyau. Ces

enveloppes ne sont pas liquides mais ductiles. La matière

est souple et la fusion partielle possible. Les dégagements

de chaleur de ces enveloppes conduisent la matière vers la

surface qui s’est solidifiée. Ces ascensions sont à l’origine

du magmatisme de surface.

Les pallasites sont des météorites mixtes. On

considère qu’elles proviennent de la destruction d’un

corps parent impacté par un corps plus important. Ces

pallasites sont des restes de l’interface noyau-manteau.



Remarque : Les achondrites riches et pauvres en calcium permettent de différencier le

manteau inférieur du manteau supérieur.

B/ Les achondrites

On les appelle aussi HED (Howardites, Eucrites, Diogénites).

Les achondrites riches en calcium, également appelées Eucrites, sont

constituées de nombreux pyroxènes, d’olivine et de plagioclases. Ces

achondrites ont la même composition chimique que les basaltes du plancher

océanique, appelés gabbros. Lorsqu’on analyse ces eucrites, ils présentent

des traces d’irradiation par les vents solaires.

Ces achondrites ont donc été arrachées de la surface d’un corps

parent.

Les achondrites pauvres en calcium sont non seulement

constituées de péridotite mais aussi parfois très riches en pyroxènes,

c’est le pyroxénolite. (ci contre, une diogénite de Jonhston aux USA)

Remarque importante : Ces observations tendent à prouver l’hétérogénéité chimique du

manteau inférieur.

En 2007, la NASA envoie dans l’espace la sonde spatiale DAWN dont la mission consiste à

étudier deux protoplanètes, dont Vesta. Avec un diamètre de 532km, Vesta est le 2ème plus gros

corps de la ceinture d’astéroïdes.

Rhéasilvia est le nom d’un cratère profond d’une quinzaine de km et de diamètre 505 km au

niveau du pôle Sud de Vesta. Les achondrites riches en calcium retrouvées sur Terre seraient issues

de l’impact responsable de ce cratère.

C/ Les météorites mixtes

Il ne faut pas confondre les pallasites et les mésosidérites. Les pallasites sont le résultat de la

destruction d’un corps parent impacté. Ils sont très peu marqués en iridium ce qui confirme leur

origine profonde d’un corps parent disparu. Les mésosidérites sont elles très rares (4% des

découvertes annuelles sur le globe) et sont constituées de 2 unités :

Des minéraux inconnus sur notre planète : la Stanfieldite 𝐶𝑎4 𝑀𝑔, 𝐹𝑒 5 𝑃𝑂4 6 et la

Whitlockite 𝐶𝑎3 𝑃𝑂4 2 (ou Merrillite) ces minéraux sont des phosphates. A ces minéraux est

associée une richesse en fer attestant qu’ils proviennent d’un corps parent détruit.

Des minéraux que l’on retrouve dans les basaltes et les gabbros et ceux-ci attestent que

les mésosidérites proviennent d’un arrachement de la cible que le corps parent avait impacté.

D/ Les sidérites

Elles représentent 6% de ce que l’on retrouve à la surface de la Terre chaque année.



Les sidérites sont des météorites métalliques constituées principalement de fer et provenant

très probablement d’astéroïdes de quelques centaines de kilomètres de diamètre pulvérisés par une

collision. Les sidérites proviendraient du cœur en fer-nickel de ces astéroïdes, suffisament gros pour

qu’un processus de différenciation conduise à une structure similaire à la Terre avec un manteau et

un noyau.

Prenons l’exemple de la sidérite de Gibeon, tombée en Namibie,

elle a une surface bulleuse donc une croute de fusion, plus de 93% de fer,

6% de nickel et le reste sont des métaux rares comme le titane.

La sidérite de Sikhote Alin tombée en 1947 en Sibérie orientale à

Sikhote-Alin. C’est une régmaglypte. Leur rareté indique que le noyau

d’une planète est de très petite taille par rapport à son rayon global.

E/ Les figures de Widmandstätten et leurs intérêts.

La structure appelée Widmandstätten est l’aspect que prennent lors d’un test chimique

beaucoup de sidérites. Lorsqu’on les coupe et que l’on attaque la surface obtenue à l’acide nitrique,

il apparaît des figures caractéristiques dues à l’entremêlement de deux minéraux ferreux contenant 6

à 16 % de nickel : la kamacite et la taënite.

La vitesse de refroidissement des corps parent est très lente, de l’ordre de 60 à 1500°C par

million d’années. Avant le début de leur cristallisation les sidérites ont une température comprise

entre 3000 et 5000°C. Lorsque celle-ci atteint 600°C, sa kamacite apparaît et se forme aux dépend de

la taënite. En effet, la largeur des bandes de taënite diminue avec la croissance de la kamacite. Aux

environs de 400°C la largeur des cristaux de taënite est très faible. Plus la largeur des bandes de

taënite est faible plus la vitesse de refroidissement est lente et on peut ainsi déduire la taille de la

protoplanète qui en est à l’origine.

II-/ Les météorites martiennes : un cas particulier très important

A/ Les SNC

Le 3 octobre 1815. 8h du matin, dans le petit village de Chassigny près de Dijon, les habitants

sont brusquement réveillés par une forte détonation. Ils découvriront rapidement l’origine de ce

vacarme. 4kg de roches surgies du ciel ! la même histoire se reproduira le 25 août 1865 (soit 50 ans

plus tard) à Shergotty (Inde) ainsi qu’à Nakhla (Egypte) le 28 juin 1911.

Les météorites martiennes sont très rares, on en recense actuellement 61. Parmi elles, 50

sont classées dans les Shergottites, 10 dans la famille de Nacklites et le 61ème est une chassignite.

Globalement, qu’elles soient d’un type ou de l’autre elles sont toutes de nature basaltique et

proviennent de corps parent très différenciés. On trouve dans leur composition des pyroxènes, de

l’augite et de la pigeonite (pyroxène riche en calcium). Elle possède aussi un minéral inconnu sur

Terre : la Maskelynite (= feldspath vitrifié, fondu sous l’effet d’un impact puis refroidit rapidement)



On retrouve également de l’ilménite (FeTiO3) et de la Titanomagnétite, qui indiquent que ces

météorites proviennent d’une planète bien différenciée.

De même, elles ont toutes été irradiées par les vents solaires en quittant leur planète, ce qui

permet de les dater leur « départ » (Shergottites : il y a 15 M d’années, Nakhlite : 11 M d’années et

Chassignite 5 M d’années). Les 61 échantillons ont un âge compris entre 4,1 Ga et 145 Ma, et en

moyenne égal à 1,3 Ga. Ces SNC viendraient d’un astre possédant un volcanisme actif à cette période

(il y a 1,3 Ga) ce qui permet de discuter quant à leur origine. Les seuls astres de notre système solaire

a avoir connu un volcanisme récent capable de créer de telles roches à cette période sont Venus, Io

(satellite de Jupiter) et Mars. Comme Vénus et Jupiter ont une gravité trop forte pour permettre à

des résidus d’impacts de s’échapper vers la Terre. Seule Mars serait donc encore candidate à ce

scénario.

Cela fut prouvé par l’analyse des gaz contenus dans une météorite découverte en

1984 à Allan Hills, dans l’Antarctique (la météorite ALH84001). Les chercheurs ont fait

chauffé une partie de cette dernière, et ont étudiés les gaz qui s’en échappés soit plus de

75% de 𝑪𝑶𝟐 et moins de 3% d’azote.

Cette analyse chimique et isotopique montre donc que :

Ces gaz sont très différents de ceux de l’atmosphère terrestre

Ces gaz sont identiques à ceux de l’atmosphère martienne analysée in situ par les

sondes Viking en 1976.

Donc, à moins d’un hasard extraordinaire, ces météorites viennent bien de Mars.

III] Apports de l’étude de la Lune à la connaissance de l’Histoire de la Terre

Le rayon lunaire est de 1737,5km (dont 300km pour le noyau), c’est 3,7 fois plus petit

que celui de la Terre. La lune possède une densité 3,36. Enfin la distance entre la Terre et la

Lune est de 384 300km. Notons également que la Lune est à l’origine des marées terrestres

et que sans elle, nous nous interrogerions probablement sur l’origine de la vie.

L’origine de la Lune :

La Lune provient d’un astre appelé Théia, de la grosseur de Mars et qui aurait percuté la

Terre, il y a environ 4,5 Milliards d’années. Sous l’effet de l’impact, la Terre perd son atmosphère

primitive. Dans le même temps, Théia perd intégralement son noyau qui fusionne avec celui de la

Terre mais emporte les 2 3 du manteau terrestre à la suite de l’impact. Devenue, désormais,

prisonnière du champ gravitationnel terrestre, Théia devient le satellite terrestre : la Lune.

Néanmoins, lors de la mission Apollo-16 en 1969, un échantillon (échantillon 60025) d’une

masse de 1,8kg d’anorthosite (minéral de la famille des feldspaths plagioclase, constituant principal

de la croûte lunaire), a été récolté et son étude pousse à reconsidérer l’âge de la Lune. Depuis le

retour des premiers échantillons lunaires, les scientifiques tentent de déterminer l’âge de la Lune.

Cela revient à dater l’événement cataclysmique qui s’est produit entre la Terre et Théia.

Les premiers âges obtenus s’approchaient de ceux des premiers objets formés dans le

système solaire, soit 4,5Ga. Mais les études plus récentes sur les différents échantillons



d’anorthosites recueillies s’accordent sur des âges plus jeunes compris entre 4,42 et 4,35Ga.

L’échantillon 60025 a pour sa part donné un âge de 4,36Ga à partir de plusieurs méthodes d’étude.

Se produira par la suite le LHB (Late Heavy Bombardment) ou Grand Bombardement tardif,

entre 3,8 et 4Ga. Il s’agit d’une période théorique du système solaire durant laquelle se serait

produite une augmentation notable des impacts météoritiques sur les planètes telluriques.

Actuellement, la meilleure théorie expliquant ce LHB est celle faisant intervenir une migration des

planètes géantes (Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus) qui aurait produit diverses résonances,

conduisant à déstabiliser les ceintures d’astéroïdes existantes à cette période.

Notons enfin que la surface de la Lune étant directement exposée au milieu spatial (puisque

la Lune n’a pas d’atmosphère), le bombardement météoritique continu ainsi que les radiations

solaires et cosmiques ont engendré la formation d’une couche superficielle de matériaux de dépôts

éjectés, brisés, recollés entre eux et irradiés que l’on appelle régolithe. Cette couche continue sur la

Lune, épaisse de quelques centimètres à une dizaine de mètres selon les endroits donne des

informations importantes sur les mécanismes d’impacts à l’échelle locale, ainsi que sur les

interactions que subit une surface planétaire dépourvue d’atmosphère avec le milieu interplanétaire.

En conclusion sur ce point : Traces actuelles de la Terre primitive

Les enveloppes internes du globe se sont formées en moins de 100 Ma après l’accrétion

primitive. Le magmatisme qui a suivi la différenciation de ces enveloppes a tout d’abord permis la

formation d’une croûte océanique basaltique. Ce n’est qu’au début de l’Archéen, que les premières

provinces archéennes se sont formées. Si certaines ont disparues à l’heure actuelle, ces croûtes

continentales primitives peuvent être observées. On les appelle boucliers ou cratons. Ils peuvent

atteindre des surfaces de près de 3000 km², la plus grande est datée de 3,82 milliards d’années. Il

existe énormément de petits boucliers ou cratons dont la surface est inférieure à 20 km². On peut en

trouver des traces dans les roches sédimentaires australiennes. Ces boucliers font l’objet de

recherches minières intensives car ils recèlent des minéraux qu’on ne retrouve plus dans les croutes

continentales récentes.

Cette photo montre des roches métamorphiques qui ont été transformées sous l’effet de la

pression et de la température lors des orogenèses (=formation de reliefs) (orthogneiss : roche

magmatique qui a été métamorphisée : Orthose (KAlSi308)).La grande majorité des boucliers est

actuellement recouverte par des roches sédimentaires provenant de l’érosion des reliefs voisins,

dans ce cas on les appelle plateformes continentales.

En France, il faut trouver les roches les plus anciennes. On a l’icartien, le pentévrien, le

briovérien. Les roches les plus vieilles de France se situent à l’Anse du cul rond.

La Paragneiss est une roche sédimentaire qui a été métamorphisée, durant l’orogenèse

cadomienne.

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