Lorsque la foudre frappe le sol, elle libère une telle quantité d’énergie qu’elle provoque la fonte, voire la vaporisation des matériaux (terre, sable, roches et débris organiques environnants) qui se situent sur son trajet. Elle laisse derrière elle des tubes de matière vitrifiée et/ou fusionnée, appelés fulgurites. L’un de ces « fossiles de foudre », formé après un orage au cours de l’été 2012, a été examiné de près par des géoscientifiques. Ils ont découvert qu’elle abritait un minéral encore jamais décrit auparavant.
La fulgurite provient de New Port Richey, en Floride. Elle a été obtenue auprès de vendeurs privés, qui l’ont trouvée sur leur propriété après un orage survenu au cours de l’été 2012. D’environ 7 centimètres de long sur 2 centimètres de large, pour un poids de 500 grammes, cette fulgurite s’est formée dans un sol sableux partiellement drainé, composé principalement de sable quartzeux et d’argile, précisent les chercheurs dans Communications Earth & Environment. Il s’agit d’une fulgurite de type II, avec une paroi massive et vitreuse entourant le vide central. Sa couleur varie du blanc au gris foncé.
Matthew Pasek, géoscientifique à l’Université de Floride du Sud (USF), et ses collaborateurs ont remarqué la présence de grandes sphérules, d’environ un centimètre de diamètre, composées d’un matériau à l’éclat métallique gris terne, incluses dans la matrice vitreuse de la fulgurite. Ces sphérules ont une densité d’environ 5 g/cm3 et ne sont pas attirées par un aimant. « Nous n’avons jamais vu ce matériau apparaître naturellement sur Terre. Des minéraux similaires peuvent être trouvés dans les météorites et dans l’espace, mais nous n’avons jamais vu ce matériau nulle part », a déclaré Mathew Pasek dans un communiqué.
Un événement de haute énergie qui a conduit à la réduction du phosphore
Pasek a examiné la fulgurite en collaboration avec Luca Bindi, professeur de minéralogie et de cristallographie à l’Université de Florence, en Italie. Tous deux souhaitaient étudier des minéraux inhabituels composés de l’élément phosphore, en particulier ceux formés par la foudre, afin de mieux comprendre les phénomènes à haute énergie — et ainsi, pouvoir anticiper les dégâts potentiels causés par la foudre.
Dans les environnements humides tels que la Floride, le fer tend à s’accumuler et à s’incruster au niveau des racines des arbres. Ainsi, lorsque la foudre est tombée sur un arbre, elle a brûlé le fer des racines et le carbone naturellement présent dans l’arbre. Les deux éléments ont conduit à une réaction chimique qui a créé « une matière colorée ressemblant à du cristal » au sein de la fulgurite, rapportent les chercheurs.
La fulgurite présente à la fois des régions de composition silicatée et réduite. La fraction silicatée est constituée de verre avec deux compositions majeures : l’une exclusivement SiO2, et l’autre composée principalement de calcium, d’aluminium et d’oxydes de silicium. Dans cette fraction se trouvent de minuscules gouttelettes (inférieures à 15 µm) composées de fer métallique riche en phosphore.
Les grosses sphérules métalliques sont quant à elles constituées de siliciures (FeSi et FeSi2), et d’un matériau comportant du calcium (Ca) et du phosphore (P). Au sein de ce dernier, les scientifiques ont détecté de très rares fragments de cristal (de moins de 20 µm) qui se sont avérés être un matériau inconnu jusqu’alors, de formule CaHPO3 — le premier matériau cristallin issu d’une fulgurite dans lequel l’élément P n’est pas un phosphate ou un phosphure, souligne l’équipe.
Des minéraux qui pourraient avoir joué un rôle dans l’apparition de la vie
Tian Feng, diplômé du programme de géologie de l’USF et co-auteur de l’étude, a tenté de recréer le matériau en laboratoire en ajoutant du CaHPO4 à un mélange de fer et de silicium, mais l’expérience a échoué. Les chercheurs pensent que le matériau se forme probablement rapidement (en moins de 5 minutes) dans des conditions précises, qui sont difficiles à reproduire. Un chauffage du mélange à 1000 °C pendant 8 heures n’a produit que des espèces phosphorées différentes.
Le matériau cristallin CaHPO3 de la fulgurite pourrait être le premier minéral portant un groupe phosphite (HPO32-). Pasek estime « peu probable » que ce nouveau type de matériau phosphoré puisse être exploité pour des utilisations similaires à celles des autres phosphates, comme les engrais, étant donné la rareté de sa présence à l’état naturel.
De précédentes recherches ont indiqué que la réduction foudroyante du phosphate était un phénomène très répandu sur la Terre primitive. Selon Feng, cette recherche pourrait suggérer que d’autres formes de minéraux réduits, formées de la même façon, sont possibles et que nombre d’entre elles pourraient avoir joué un rôle important dans le développement de la vie sur Terre. Ils souhaitent examiner d’autres fulgurites pour vérifier cette théorie.
L’équipe prévoit également d’approfondir ses recherches pour déterminer s’il est possible de déclarer officiellement le matériau comme un nouveau minéral et le cas échéant, lui trouver un nom.
À noter que ce n’est pas la première fois qu’un composé inconnu est découvert dans une fulgurite : en décembre 2022, Bindi et Pasek avaient déjà rapporté la découverte d’un quasi-cristal — un cristal dont la structure n’est pas périodique — créé par une décharge électrique. Ce quasi-cristal dodécagonal se trouvait dans une fulgurite trouvée dans les Sand Hills du Nebraska.