5.Einschlagskrater: Morphologie und Geologie. Kraterringstrukturen

Vorlesung 5
Einschlagskrater: Morphologie und Geologie.
Kraterringstrukturen. Impakt-Landschaften.
Geophysikalische Untersuchungen an alten
Kratern.
Die Identifizierung von Impakt-Strukturen
Die wichtigsten Kriterien sind:
* Kratermorphologie: Ringförmige Struktur
* geophysikalische Anomalien
* mineralogische Beweise für
Schockmetamorphose: Gesteine und Mineralien
* geochemischen Beweisen von Spuren
meteoritischer Projektile.
Das
Nördlinger
Ries geologische
Karte
Als geologische Struktur ist die Besonderheit des
Nördlinger Ries (24 km Durchmesser) bereits lange
bekannt. Die Erklärung als Meteoritenkrater hat sich
allerdings erst in den 60er Jahren durchgesetzt. Der
Besucher hat allerdings große Schwierigkeiten, den
Einschlagskrater zu erkennen.
Das Steinheimer Becken
Da es wesentlich kleiner (3,4 km) als das Nördlinger Ries ist, ist die
Kraterstruktur des Steinheimer Beckens trotz der starken Erosion leichter
zu erkennen. Da es ein ähnliches Alter (15 Mio. Jahre) wie das
Nördlinger Ries hat und nur 40 km südwestlich von diesem liegt, ist
davon auszugehen, dass beide gleichzeitig entstanden sind, entweder
durch einen Doppelasteroiden oder durch das Zerbersten eines
Asteroiden in der Atmosphäre.
Impaktkrater treten morphologisch in zwei unterschiedlichen
Erscheinungstypen auf:
A. einfache Krater (Durchmesser kleiner 2-4 km; einfache
schüsselförmige Strukturen)
B. komplexe Krater (Durchmesser größer 2-4 km)
Schematische
Querschnitte durch einen
einfachen (a) und einen
komplexen (b) Krater.
Punktiert ist das
Ejektamaterial um den
Krater herum angedeutet.
Brecciiertes, geschocktes
und geschmolzenes
Material wird durch
größere offenen und
geschlossenen Symbole
angedeutet. Ebenfalls
angedeutet wird die
Bruchbildung unterhalb
der Krater, sowie der
zentrale Uplift und
mögliche Schmelzdecken
im komplexen Krater
(Montanari & Köberl
2000).
Einfache Krater
da=0,14·D1,02
dt=0,29·D0,93
Komplexe Krater
da=0,27·D0,16
SU=0,06·D1,1
SU
Mit der Gesteinsmetamorphose kommen wir zu den Impaktmerkmalen,
die besonders vielfältig und beweiskräftig sind, weil sie durch kein
anderes denkbares Ereignis, als einen Impakt hervorgerufen werden
können. Bei Vulkanen geschehen solche Gesteinsumwandlungen nicht,
weil Drücke und Temperaturen viel zu gering sind.
Genauer gesagt handelt es sich um Veränderungen der Minerale Quarz und Feldspat.
Wenn man die bei einem Impakt entstehenden Drücke und Temperaturen in Zonen von
0 bis 5 einteilt (Stöffler 1972), dann gibt es für jede dieser Stufen charakteristische
Mineralveränderungen. Von den 'niedrigsten' Werten (Druck 1GPa, Temperatur 100 °C)
zu den höchsten (Druck 1000 GPa, Temperatur 30 000 °C) sind dies:
# Zone 0: 'Knickbänder' im Kristallgitter
# Zone 1: Entstehung von parallelen Scharen von glasartigen Lamellen (auch Stishovit
und Coesit)
# Zone 2: diaplektische Gläser (Entstehung von Glas nur durch Druck)
# Zone 3: Schmelzen von Feldspatkomponenten mit Aufschäumen nach der
Druckbelastung
# Zone 4: Glastropfen bzw. Glasbomben ('Flädle') teilweise mit Fließstrukturen
(während des Luft-Fluges erstarrt).
# Zone 5: Alles Material (Meteor und Erdgestein) wird pulverisiert und verdampft,
daher sind Rückstände kaum eindeutig nachweisbar.
Schockmethamorphism
Schockmethamorphism
Temperatur
Druck
Komplexe Krater
Die beim Impakt des Himmelskörpers ausgeschleuderte Gesteinswolke
fiel zum Teil in den Krater zurück und bildete den Suevit, der ein dem
Regolith des Mondes analoges Gestein darstellt. Suevit, (abgeleitet von
lat. Suevia = Schwaben) ist ein Impaktit, ein Gestein, das durch den
Aufschlag eines Himmelskörpers entstanden ist. Typischerweise enthält
Suevit neben zermahlenem Grundgestein und erstarrten Schmelzen
einige Minerale, die nur bei extrem hohen Drucken und Temperaturen
entstehen, wie die Quarzmodifikationen Stishovit, Coesit und
diaplektische Gläser. Reste des Impaktors können ebenfalls enthalten
sein, zum Beispiel als Gaseinschlüsse in Mineralen.
planare Elemente
Planare Deformationslamelle (PDF)
in Quarz
Diaplektisches Glas (weiß)
SEM-Aufnahme sich kreuzender
PDF. Man beachte den geringen
Abstand zwischen einzelnen PDF,
der in vielen Fällen weniger als 1
µm beträgt.
Oberflächenmerkmale
Quarzit-Geröll mit stark pockennarbiger Oberfläche. Die flachen, runden
bis länglichen Vertiefungen sind das Ergebnis von Ausschürfungen im
Kontaktbereich benachbarter Gerölle. Die weißliche Farbe spiegelt eine
Mikro-Breccierung in der Kontaktzone wider. Trotz der stark
ausgeprägten engständigen Klüftung (WNW - ESE) ist die
Gerölloberfläche vollkommen glatt. Keinerlei Scherung hat
stattgefunden.
Zersägte Quarzit-Gerölle mit Schnitten durch die Mittelpunkte von
Miniaturkratern. Man beachte die divergierenden Aufschlagbrüche,
ferner die weißen Halos unmittelbar unter den Kratern als Ausdruck von
Mikrobrüchen und plastischer Verformung.
Pockennarbiges Quarzitgeröll (links) mit einer kleinen runden
Spallations-Struktur. Im Unterschied zu den unregelmäßig geformten
Ausschürfungen zeigt sich die Spallation als Anordnung kreisrunder
Sprödbrüche mit einem ringförmigen Halo aus Mikrobrüchen
(Vergrößerung rechts). Man beachte das nahezu vollständig unbeschädigt
gebliebene Zentrum der Bruchstruktur. Genau das wird auch vielfach bei
experimentell erzeugter Impakt-Spallation beobachtet.
Strahlenkalk, auch „shatter
cones“ genannt
Die für das Steinheimer Becken typischen Strahlenkalkgebilde befinden
sich in den dortigen Weißjurakalken. Sie entstehen ausschließlich bei
einem extrem hohen Druck um 10 GPa. Die durch den Impakt ausgelöste
Stoßwelle rast in Bruchteilen einer Sekunde durch die betroffenen
Gesteinsschichten und erzeugt die äußerst interessant geformten „shatter
cones“.
Spallation (Zerbrechen)
Viele der Deformationsmerkmale in den quarzitischen Geröllen können durch Spallation erklärt
werden.
In der Bruchmechanik wird mit (eingedeutscht) Spallation ein wohlbekannter Prozess bezeichnet,
der typischerweise Druck- und Zugspannungen miteinander verknüpft. Spallation tritt auf, wenn
ein dynamischer Druckimpuls auf eine freie Oberfläche trifft, wo er als Zugimpuls reflektiert
wird. Die damit verbundenen Zugspannungen können zu internen Spallations-(Zug-)Brüchen im
Material führen, aber auch zum vollständigen Material-Abplatzen an der Oberfläche.
Entsprechende Schock-Experimente wurden am Freiburger Ernst-Mach-Institut durchgeführt. In
einer Pulver-Kanone wurden Stahlprojektile beschleunigt, und als Proben verwendeten wir
jeweils zwei sich berührende Quarzkugeln (aus Bergkristall) in einer synthetischen EpoxyMatrix. Die Impaktgeschwindigkeiten bewegten sich zwischen 25 und 115 m/s, was einem
Aufschlagsdruck zwischen 0.55 and 2.5 GPa (5.5 and 25 kbar) entspricht. Die beaufschlagten
Proben wurden aufgesägt (siehe Bild), Dünnschliffe wurden angefertigt.
Geophysikalische Anomalien
Schwerefeld-Anomalie
Popigai Krater, Sibirien.
Magnetfeld, Popigai Krater in Sibirien
In der Mondkruste an
bestimmten Stellen
kommt es zu
sogenannten
Massekonzentrationen
("Mascons"), die sich
durch Anomalien des
Schwerkraftfeldes
bemerkbar machen.
Diese Mascons liegen
in der Regel im
Bereich großer
Einschlagkrater und –
becken.
Krater Mjölnir, Norwegen
Der Chesapeake Bay-Krater. Schnitt mit Schwerefeldanomalie.
Der Chesapeake Bay-Krater unter Cape Charles.
Karte der Schwerefeldanomalien in der Gegend
des Chesapeake Bay-Krater.
3D-Bild des kristallinen Untergrunds, wie es sich aus seismischen
Reflexionsprofilen und Bohrkernen ergibt