Cratère d'impact

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Représentation d'artiste d'un impact météoritique

Un cratère d'impact est la dépression de forme plus ou moins circulaire issue de la collision d'un objet sur un autre de taille suffisamment grande pour qu'il ne soit pas complètement détruit par l'impact. L'expression est particulièrement utilisée en astronomie pour désigner le résultat de la collision d'objets célestes (un astéroïde ou une comète impactant une planète par exemple).

Plus généralement, on désigne sous le terme Astroblème l'ensemble des conséquences de l'impact. Le cratère n'est qu'un des éléments constitutifs de l'astroblème.

[modifier] Les cratères terrestres

Sur Terre les cratères d'impact sont rarement faciles à identifier. Jusqu'aux années soixante, début de « l'ère spatiale », ils étaient, sauf rares exceptions, rapportés à des phénomènes volcaniques). Les progrès apportés par les études spatiales, le développement de l'imagerie géologique, satellitaire ou géophysique, ont permis aux géologues de rectifier peu à peu les anciennes confusions tout en multipliant les nouvelles découvertes.

Toutefois, des conditions propres à la Terre dégradent rapidement les cratères :

la Terre dispose d'une atmosphère très protectrice, ainsi la plupart des météorites de moins de 10 m de diamètre ne parviennent pas jusqu'au sol. Les météorites plus grosses (jusqu'à 20 m) explosent en vol et leurs fragments sont trop ralentis et n'ont plus assez d'énergie pour laisser de gros cratères ;
la Terre subi l'érosion par ruissellement d'eau, et par l'effet du vent ;
la vie, phénomène unique dans le système solaire, accélère considérablement la vitesse de sédimentation dans l'eau, et en surface elle génère l'accumulation des couches végétales qui recouvrent les cratères ;
la tectonique est encore active, et les plaques continuent donc à se chevaucher allégrement. Une grande partie de la surface terrestre est donc constamment renouvelée en remplacement d'une autre qui disparaît ;
70% de la surface de la planète est recouverte d'eau, dans laquelle les cratères ne se forment pas de la même façon.

La Lune qui ne possède ni eau, ni atmosphère, ni vie, conserve les cicatrices laissées par tous les impacts qu'elle a reçu depuis que sa tectonique s'est figée. Cela donne une bonne indication sur la quantité d'objets célestes qui ont percuté la Terre.

Les impacts qui ont laissé des grands cratères (de plusieurs dizaines de kilomètres de diamètre) sont vraisemblablement impliqués dans l'évolution des espèces vivantes. Par exemple, l'impact qui a généré le cratère de Chicxulub est très vraisemblablement associé à la période d'extinction massive entre le Crétacé et le Tertiaire, dont les dinosaures en sont les plus célèbres victimes.

On découvre peu à peu également que divers gisements de richesses métalliques sont liés à de tels impacts comme les gisements d'or et de platine de Sudburry au Canada.

[modifier] Vocabulaire associé aux impacts

L’étude des cratères générés par des impacts météoritiques nécessite l’utilisation d’un vocabulaire et de définitions bien particulières pour décrire leurs caractéristiques géométriques.

En 1998<ref>French B. M. (1998) Traces of Catastrophe: A Handbook of Shock-Metamorphic Effects in Terrestrial Meteorite Impact Structures., LPI Contribution No. 954, Lunar and Planetary Institute, Houston. 120 pp.</ref>, puis en 2004<ref>E. P. Turtle, E. Pierazzo, G. S. Collins, G. R. Osinski, H. J. Melosh, J. V. Morgan, W. U. Reimold, and J. G. Spray: Impact structures : what does crater diameter mean?, Lunar & Planetary Science XXXV-1772 (2004)</ref>, des scientifiques ont posé les définitions principales qui décrivent les divers paramètres et formes des cratères d'impact. Ils encouragent fortement les personnes étudiant les impacts à employer la même terminologie. En 2005, une partie de ces auteurs a réalisé un programme de calcul des effets d’un impact<ref name=eiep>G. S. Collins, H. J. Melosh, R. A. Marcus: Earth Impact Effects Program: A Web-based computer program for calculating the regional environmental consequences of a meteoroid impact on Earth, Meteoritics & Planetary Science 40, Nr 6, 817–840 (2005)</ref> apportant quelques retouches à ces définitions et en ajoutant de nouvelles. Ces définitions sont reproduites ici.

[modifier] Terminologie officielle

Les définitions (en gras) sont apportées dans le texte décrivant les différentes étapes de la formation du cratère. La traduction anglaise est mentionnée en italiques pour aider à la lecture des publications scientifiques souvent écrites dans cette langue.

[modifier] Définitions des termes

Image:Def-cratere-transitoire-formation.gif

Lorsque la météorite arrive au sol, elle y pénètre rapidement en se vaporisant sous l’énorme énergie de l’impact. Le sol se comporte comme une matière élastique – à sa mesure – et s’enfonce profondément, tout en se vaporisant et en se fracturant. Au bout de quelques secondes, le trou parvient à sa dimension maximale, c'est le cratère transitoire (transient crater).

Ensuite, le sol reprend sa place, c'est le rebond (rebound). Il ne reste à la fin qu’un cratère final (final crater) dont la forme dépend du volume de sous-sol vaporisé et éjecté, de la compression résiduelle dans les roches, de la puissance du rebond, et des glissements de terrains et éboulements des parois et des retombées. Le cratère final mettra quelques semaines ou mois à se stabiliser avant que l’érosion ne l’entame.

Aujourd’hui, la plupart des grands cratères ne sont visibles que sous leur forme érodée et l'on ne peut mesurer qu’un cratère apparent (apparent crater) dont la forme est plus ou moins visible selon le degré de l’érosion, des recharges en sédiments ou des mouvements du sous-sol.

Lors du rebond, et quand la taille du cratère est suffisante, le centre se soulève plus que les alentours, un peu comme une goutte d'eau. Il se forme un soulèvement central (central uplift) plus ou moins important qui peut remonter plus haut que le fond du cratère. Il se forme alors un pic central (central peak) plus ou moins prononcé.

cratère simple
(Meteor Crater, USA)

cratère de transition
(Mars)

cratère complexe à pic central
(Tycho, Lune)

cratère à anneaux multiples
(Vredefort, Afr. du Sud)

bassin
(Mare Imbrium, Lune)

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Les cratères présentant un pic central sont appelés des cratères complexes (complex crater) en opposition aux cratères simples (simple crater) qui n'en possèdent pas. En pratique, sur Terre, les cratères dont le diamètre final fait de moins de 3,2 kilomètres sont simples, au delà, ils sont complexes (ce qui correspond à un diamètre transitoire d’environ 2,6 kilomètres).

La transition entre cratère simple et cratère complexe ne se fait pas brutalement. Entre le cratère simple dont la cavité est en forme de bol et le cratère complexe avec pic central, on trouve le cratère de transition (transition crater) dont la forme ressemble à un bol à fond plat.

Dans les très gros impacts, le pic central peut s’élever au-delà de sa hauteur de stabilité et retomber à nouveau, créant de fait un cratère à anneaux multiples (multi-ring crater) qui est une forme de cratère complexe. Le pic central est remplacé par une structure annulaire centrale plus ou moins prononcée, l'anneau central (peak ring).

Lorsque la météorite est suffisamment grosse pour percer la croûte et provoquer des épanchements magmatiques, on parle de bassin (basin) et non plus de cratère.

[modifier] Dimensions associées aux cratères d'impact

Dimensions associées au cratère transitoire

Dimensions associées au cratère simple

Dimensions associées au cratère complexe

[modifier] Les diamètres

D_tc = diamètre du cratère transitoire

Le cratère transitoire a une forme plus ou moins parabolique. Le diamètre est mesuré théoriquement entre l’intersection des bords du trou avec la surface du sol avant l’impact. On fait donc abstraction du soulèvement du terrain autour du cratère.

D_sc = diamètre de transition simple-complexe

Si le diamètre transitoire D_tc est inférieur à D_sc alors le cratère est simple, sinon il est complexe. La valeur de D_sc varie d'une planète à l'autre et varie aussi en fonction de la nature du terrain cible <ref name=pike>Pike, R. J., Control of crater morphology by gravity and target type - Mars, earth, moon, Lunar and Planetary Science Conference, 11th, Houston, TX, March 17-21, 1980, Proceedings. Volume 3. (A82-22351 09-91) New York, Pergamon Press, 1980, p. 2159-2189. NASA-supported research.</ref>.

D_tr = diamètre du cratère transitoire crète à crète.

Ici le diamètre est mesuré sur la crète des lèvres du bord du cratère. Ce n’est pas le diamètre de référence pour mesurer le cratère transitoire (on utilise plutôt D_tc). Cette grandeur est rarement utilisée.

D_fr = diamètre final crête à crête

Pour un cratère simple, il s’agit du diamètre pris en haut des talus du bord du cratère (après que le cratère se soit stabilisé, mais avant l’action de l’érosion)
Pour un cratère complexe, il s’agit du diamètre pris entre les bords (rim) les plus éloignés du centre.

D_a = diamètre apparent

Diamètre du cratère mesuré dans le plan du sol avant l'impact. Il est complexe à mesurer, et souvent très imprécis dans le cas des cratères érodés. On tient compte pour le déterminer de l’extension des effets de l’impact visibles sur le terrain (brèches, cataclases), le sous-sol (failles, cristaux choqués, pseudotachylites, pendages des couches…), ou d’autres méthodes d’investigation (micro-gravimétrie, micro-magnétographie…), et enfin de l'érosion du terrain.

D_cp = diamètre du pic central

Il est mesuré à l’endroit où le pic déborde de la surface du fond du cratère. Cette grandeur est très aléatoire car il est difficile de savoir avec précision à quel moment se passe cette transition, surtout dans les cratères érodés.

D_cu = diamètre du soulèvement central

Il est mesuré au niveau où les effets du soulèvement cessent d’être notables. Là aussi, cette dimension est très difficile à mesurer en raison de la grande profondeur de ce niveau (plusieurs kilomètres). C’est toutefois la seule mesure possible lorsque l’érosion a complètement effacé le pic central et ce soulèvement est parfois la seule trace encore visible d’un impact.

[modifier] Les profondeurs

[modifier] Les hauteurs

[modifier] Les épaisseurs

[modifier] Quelques formules pour les impacts terrestres

L'un des critères de base pour déterminer la forme d'un cratère est son diamètre transitoire.

Une fois que l'on connaît les paramètres de l'impacteur et de la cible, diverses théories permettent de calculer le cratère transitoire généré par l'impact. Il serait ambitieux d'en dresser une liste exhaustive. Ces formules sont issues des recommandations du Earth Impact Effect Program<ref name=eiep />.

[modifier] Données et unités

Dans ces formules, les termes sont définis de la façon suivante :

<math>D_{sc}\,</math> : diamètre transitoire de transition entre les cratères simples et complexes, sur Terre égal à <ref name=pike />:
- 3 200 m lorsqu'on ne connaît pas la nature du terrain cible ;
- 2 250 m dans un terrain sédimentaire ;
- 4 750 m dans un terrain cristallin ;
<math>\rho_i\,</math> : densité de l'astéroïde, en kg/m³
<math>\rho_c\,</math> : densité de la cible, en kg/m³
<math>\phi_i\,</math> : diamètre de la météorite, en m
<math>v_i\,</math> : vitesse de la météorite à l'impact, en m/s
<math>g\,</math> : accélération de la pesanteur de la cible (égal à 9,81 m.s^-2 sur Terre)
<math>\theta\,</math> : angle de l'impact, par rapport à l'horizontale. Pour impact vertical, <math>\theta</math> = 90°

Tous les diamètres, profondeurs, épaisseurs et hauteurs sont exprimés en m.

La nature du cratère ne passe pas directement d'un cratère simple à un cratère complexe à pic central. La transition se fait progressivement. De même, lorsque le diamètre final est supérieur à <ref name=pike /> :

10 200 m dans un terrain sédimentaire ;
12 000 m dans un terrain cristallin ;

alors le cratère prend une morphologie à anneau central.

[modifier] Taille du cratère transitoire

[modifier] diamètre du cratère transitoire

<math>D_{tc}=1,161 \cdot (\frac{\rho_i}{\rho_c})^{\frac{1}{3}} \cdot \phi_i^{0,78} \cdot v_i^{0,44} \cdot g^{-0,22} \cdot sin^{1 \over 3}(\theta)</math>