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Une ancienne communauté microbienne découverte dans un vaste cratère météoritique

L'anneau de Siljan. NASA, domaine public.

Il y a environ 380 millions d’années, une météorite s’écrasait sur le sud de l’actuelle Suède, créant le plus grand cratère d’Europe. On était à la fin du Dévonien, plus exactement durant son dernier étage, appelé le Famennien (de 372 à 359 Ma). Les forêts avaient conquis les continents et les premiers amphibiens s’aventuraient hors de l’eau. Il s’est produit une extinction de masse, mais elle a affecté seulement les mers et n’est probablement pas due à cette collision. Il en reste aujourd’hui une structure circulaire de 52 kilomètres de diamètre appelée l’anneau de Siljan. Elle tient son nom de l’un des lacs qui la remplissent.

L’échec de Thomas Gold

En 1986, l’astrophysicien Thomas Gold persuada la compagnie suédoise Vattenfall d’y effectuer des forages afin d’y trouver des hydrocarbures. Il défendait la théorie abiotique du pétrole, selon laquelle celui-ci serait créé à faible profondeur dans la croûte terrestre par des réactions chimiques inorganiques à partir de méthane provenant du manteau terrestre. Des granites précambriens, formant le socle cristallin de cette région, furent forés dans le plateau central. On n’y trouva qu’une petite quantité d’hydrocarbures qui provenait sans doute des lubrifiants utilisés. Il y avait aussi du méthane, mais pas en quantité suffisante pour être exploitée, et l’entreprise fut abandonnée.

Carte géologique de l’anneau de Siljan. Les sédiments de l’Ordovicien et du Silurien sont en jaune. Les grès plus tardifs du Silurien, qui reposent dessus, sont en vert. Les emplacements de forages d’AB Igrene sont indiqués par des étoiles rouges.

La présence de ce gaz étayait-elle tout de même la théorie de Gold ? Ce n’est pas certain. La présence de méthane dans le manteau n’est à présent plus admise. Il a pu se former de trois manières : par réactions inorganiques entre l’hydrogène et le dioxyde de carbone, par craquage à haute température de matière organique et par une activité microbienne. La première possibilité semble peu probable. Elle se produit surtout lorsque les péridotites (les roches du manteau) sont altérées par de l’eau. Elles sont transformées en serpentine et dégagent de l’hydrogène, lequel peut réagir avec du CO₂. L’anneau de Siljan ne se trouve pas dans ce cas de figure.

Du méthane est cherché ailleurs

Le problème a été résolu par une équipe de géologues suédoise, danoise et allemande sous la direction d’Henrik Drake. Elle a utilisé des carottes prélevées par l’entreprise de prospection AB Igrene, créée spécialement en 2002 pour explorer l’anneau de Siljan. Celle-ci a annoncé avoir découvert des « quantités significatives » de méthane en 2009 et conserve l’espoir d’en effectuer l’exploitation. Les forages ont atteint une profondeur de 400 à 700 mètres.

Les granites du socle ont environ 1,6 milliards d’années, à la fin d’une époque appelée le svécocarélien. Ils ont été recouverts par la mer durant tout l’Ordovicien et une moitié du Silurien (de 485 à 427 Ma). Elle y a laissé du calcaire, des argiles puis du sable. Des couches d’argiles noires comportent de la matière organique. La chute de la météorite à la fin du Dévonien a profondément fracturé et choqué le socle. Beaucoup plus récemment, les calottes glaciaires du Quaternaire ont érodé cette structure en laissant un anneau de sédiments dans une dépression circulaire. Les forages ont été faits dedans, et non plus dans le plateau central granitique.

En a, carottes de calcaire blanc du forage VM2 à 328 m de profondeur. En c, carotte très fracturée de calcaire du forage 01-10C, à 326 m. Elles ont un abondant bitume solide et du pétrole. La barre noire représente 4 cm. Les images b et d montrent des cristaux de calcite enrichie en carbone 13, du bitume et du pétrole (Asph/oil). Les barres noires représentent 0,5 mm en b et 1 mm en d.

Les scientifiques ont analysé des cristaux de calcite (ou carbonate de calcium) CaCO₃ et de pyrite FeS₂ contenus dans des fractures du calcaire et du granite et ont décelé la signature d’une activité microbienne. Des archées (micro-organismes différents des bactéries) produisent du méthane CH₄ par réduction du dioxyde de carbone. Ce méthane est enrichi en carbone 12, l’isotope léger et très majoritaire du carbone, si bien que le CO₂ résiduel possède un surcroît de carbone 13. Les grains de calcite qui en dérivent conservent cet excès. Les chercheurs ont trouvé des composés organiques sur eux. Des bactéries vivaient en consommant ce méthane : elles effectuaient son oxydation anaérobie en réduisant des ions sulfate SO₄²⁻, dont le soufre formait de la pyrite.

Sept cristaux de calcite enrichis en carbone 13 ont pu être datés grâce à la méthode uranium-plomb. Elle repose sur la désintégration radioactive de l’uranium, qui se transforme par étapes en plomb. Un cristal récolté à 212 mètres de profondeur, dans une fracture du calcaire, est âgé de 22 millions d’années. Un autre, à 170 mètres, a fourni deux âges de 80 et 39 millions d’années, avec des incertitudes de quelques Ma.

Des micro-organismes arrivés tardivement

Une communauté microbienne s’est donc installée 300 millions d’années après l’impact, durant le Crétacé supérieur, mais elle a surtout été active à partir de l’Éocène, il y a 56 millions d’années. Elle a subsisté jusqu’au début du Miocène, qui a été la période des grands singes et des premiers homininés. Son installation a été permise par la maturation thermique de la matière organique contenue dans les argiles : celle-ci s’est transformée en pétrole et en bitume, qui s’est infiltré dans des fractures où circulait déjà de l’eau. Les micro-organismes les ont utilisés comme source d’énergie. Ils également bénéficié de températures plus clémentes, inférieures à 50 °C, permises par le soulèvement tectonique de la région.

Le gaz que cherche AB Igrene provient surtout de l’activité des archées, secondairement de la dégradation thermique de la matière organique. Il s’est accumulé dans des poches au sein de la couverture sédimentaire, qui atteint les 350 mètres de profondeur.

C’est la première fois qu’une communauté microbienne est découverte dans les profondeurs d’un cratère météoritique. On peut imaginer qu’il en existe sur d’autres planètes, notamment sur Mars où des émissions de méthane ont été détectées. Les auteurs de l’étude se sont laissés aller à ce rêve, même s’ils sont conscients que les couches d’argiles noires du Paléozoïque ont permis à cette communauté de vivre.

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Henrik Drake et al., Timing and origin of natural gas accumulation in the Siljan impact structure, Sweden, Nature Communications, 18 October 2019.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12728-y

Les figures sont extraites de cet article, où elles ont été éditées sous licence CC BY 4.0.

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