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Foto: DFG Forschergruppe MEMIN Back to top

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Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Research Network

Der Einschlag eins kosmischen Körpers (Asteroiden, Kometen) auf einer planetaren Oberfläche ist ein fundamentaler Prozess im gesamten Sonnensystem. Ein Verständnis dieses Prozesses ist nur durch interdisziplinäre Forschung unter Einbeziehung natürlicher Krater, experimenteller Laborstudien und numerischer Simulationen zu erlangen. Wissenschaftler am Museum für Naturkunde sind an einem multidisziplinäres Netzwerk zur experimentellen und numerischen Impaktforschung (MEMIN-Forschergruppe) beteiligt, in dem Geowissenschaftler, Physiker und Ingenieure gemeinsam neue Erkenntnisse über die Entstehung von Impaktkratern auf der Erde und anderen Planeten gewinnen wollen.

Eine zentrale Bedeutung im MEMIN Programm kommt verschiedenen zweistufigen Leichtgaskanonen zu, die durch die Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI), für experimentelle Studien zur Verfügung stehen. Die Leichtgaskanonen sind in der Lage, Eisen-, Aluminium- und meteoritische Projektile, 2-12 mm im Durchmesser auf Geschwindigkeit von bis zu ca. 7,8 km/s zu beschleunigen und dadurch bislang nicht erreichbare Kratergrößen im Dezimeterbereich in Festgesteinen zu produzieren, die detaillierte räumliche Analysen ermöglichen. Durch die Verwendung verschiedener Targetgesteine mit unterschiedlichen Festigkeiten, Porositäten, Wassersättigung und durch Variation der Einschlaggeschwindigkeiten und des Projektilmaterials soll der Einfluss auf die Kratermechanik, Stoßwellenmetamorphose und Projektilverteilung beim Einschlagprozess untersucht werden.

Das Arbeitsprogramm umfasst (i) eine vollständige mineralogisch-petrophysikalische und mechanische Charakterisierung der Targetgesteine vor und nach den Impaktexperimenten, z.B. durch Verwendung neuartiger geophysikalischer Methoden zur mesoskaligen Tomographie und mikrostruktureller Analysen im Nanometerbereich, (ii) eine umfassende Kontrolle der Einschlagexperimente mit neu  entwickelten in situ Echtzeit Messungen zur Rissausbreitung, Spannungen, Kraterwachstum, und der Auswurfsdynamik sowie (iii) die numerische Modellierung des gesamten Kraterbildungsprozesses. MEMIN ist darauf ausgelegt, durch eine solide Datenbasis eine Validierung und Verbesserung von numerischen Kratermodellen zu erreichen, die eine Skalierung der mesoskaligen Beobachtungen auf reale Kratergrößen ermöglichen.

Teilprojekte

Numerische Modellierung von Impaktprozessen

Der numerischen Modellierung von Einschlagprozessen, sogenannten Impaktereignissen, kommt innerhalb der MEMIN Forschergruppe eine zentrale Bedeutung zu. Die Simulationen von Einschlägen erlaubt Einblicke in hochdynamische Prozesse, die im Experiment nur mit großem technischen Aufwand zum Teil aufgezeichnet bzw. gemessen werden können. Bzgl. der Untersuchung von natürlichen Einschlagkratern auf der Erde und den Planeten, sind Computermodelle die einzige Möglichkeit, um den Bildungsprozess zu rekonstruieren. Ziel des Projektes ist es, die vorhandene Simulationssoftware zu verbessern, durch die Implementierung von realistischeren und präziseren Materialmodellen, die das Verhalten von Gestein unter extremen Druck, Temperatur, und Deformationsraten beschreiben. Neben der Modellentwicklung kommt der Validierung und Kalibrierung anhand der in Laborexperimenten gewonnen Daten bzgl. Katergröße, Ejektaverteilung, Bruchbildung und Schädigung des Gesteins eine große Bedeutung zu. Es wird zwischen sogenannten (1) „Mesoskaligen“ und (2) „Makroskaligen“ Modellen unterschieden:

  1. In mesoskaligen Modellen wird die Struktur des Gesteins, also einzelne Poren und Körner der Matrix, aufgelöst. Es kann sehr detailliert untersucht werden, welchen Veränderungen diese Struktur durch die Beanspruchung durch die Stoßwelle unterliegt, also wie beispielsweise Poren geschlossen werden und welche Konsequenzen sich daraus für die Druckverteilung ergeben.
  2. In makroskaligen Modellen wird die gesamte Kraterbildung simuliert. Dabei kommen Erkenntnisse bzgl. des Materialverhaltens, die aus den mesoskaligen Modellen gewonnen wurden, zum Tragen. Die Modelle können hinsichtlich Kratergröße, Ejektaverteilung und Ausdehnung der Schädigungszone direkt mit den Experimenten verglichen werden. Darüber hinaus können auch seismische Signale und die Ausbreitung der Stoßwelle aufgezeichnet werden und experimentellen seismischen Daten gegenübergestellt werden, die mit Hilfe von Sensoren zur Messung der akustischen Signale und der Stoßwellen  gewonnen wurden  

Durch die Zusammenführung von meso- und makroskaligen Modellen und die Kalibrierung von Materialmodellen anhand der Experimente, ist es möglich, die Entstehung natürliche Krater, die einige 100 m aber auch über 1000 km groß sein können, zu simulieren und den gesamten Bildungsprozess zu rekonstruieren.

Team:

Kooperationspartner:

Publikationen:

  • Kowitz A. , Güldemeister N., Schmitt R. T., Reimold W. U., Wünnemann K.  2016. Revision and recalibration of existing shock classifications for quartzose rocks using low-shock pressure (2.5-20 GPa) recovery experiments and meso-scale numerical modeling. Meteoritics & Planetary Science, in press.
  • Wünnemann K., Zhu Meng-Hua, Stöffler D. 2015, Impacts into Quartz Sand: Crater Formation, Shock Metamorphism, and Ejecta Distribution in Laboratory Experiments and Numerical Models, Meteoritics & Planetary Science (in press).
  • Güldemeister N., Wünnemann K. and Poelchau M. H. 2015. Scaling impact crater dimensions in cohesive rock by numerical modeling and laboratory experiments. Geological Society of America Special Papers 518: SPE518-02.
  • Moser D., Güldemeister N., Wünnemann K., Grosse C. 2013. Acoustic Emission Analysis of Experimental Impact Processes in Comparison to Ultrasound Measurements and Numerical Modeling. Journal of Acoustic Emission(JAE). Online Volumes 31, 50-66.
  • Kowitz A., Güldemeister N., Reimold W. U., Schmitt R. T., Wünnemann K. 2013. Diaplectic quartz glass and SiO2 melt experimentally generated at only 5 GPa shock pressure in porous sandstone: Laboratory observations and meso-scale numerical modeling. Earth and Planetary Science Letters 384:17-26, http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2013.09.021.
  • Güldemeister N., Durr N., Wünnemann K., Hiermaier S. 2013. Propagation of impact-induced shock waves in porous sandstone using mesoscale modeling. Meteoritics & Planetary Science 48: 115-133.
  • Durr N., Sauer M., Hiermaier S., Güldemeister N., Wünnemann K. 2013. Mesoscale investigation of shock wave effects in dry and water-saturated sandstone. Proceedings of the 12th Hypervelocity Impact Symposium, Procedia Engineering 58: 289–298.
  • Buhl E., Kowitz A., Elbeshausen D., Sommer F., Dresen G., Poelchau M. H., Reimold W. U., Schmitt R. T., Kenkmann T. 2013. Particle size distribution and strain rate attenuation in hyper-velocity impact and shock recovery experiments. Journal of Structural Geology, Volume 56, November 2013, Pages 20-33, ISSN 0191-8141,  http://dx.doi.org/10.1016/j.jsg.2013.08.007.
  • Wünnemann K., Nowka D., Collins G.S., Elbeshausen D., Bierhaus M. 2011. Scaling of impact crater formation on planetary surfaces – insights from numerical modeling. Proceedings of the 11th Hypervelocity Impact Symposium, Fraunhofer Verlag 120: 1-16.
  • Kenkmann T., Kowitz A., Wünnemann K., Behner T., Schäfer F., Thoma K., Deutsch A. 2011. Experimental impact cratering in sandstone: the effect of pore fluids. Proceedings of 11th Hypervelocity Impact Symposium, Fraunhofer Verlag 97: 64-74.
  • Kenkmann T., Wünnemann K., Deutsch A., Poelchau M. H., Schäfer F, Thoma K. 2011. Impact cratering in sandstone: The MEMIN pilot study on the effect of pore water. Meteoritics & Planetary Science 46: 890–902.

Niedriggradige Stoßwellenmetamorphose in Quarz

Dieses Projekt bearbeitet innerhalb des “Multidisciplinary Experimental and Modelling Impact research Network” (MEMIN) die niedriggradige Stoßwellenmetamorphose in porösen und wasserhaltigen Sedimenten, speziell von Quarz, der eines der häufigsten Minerale in der Oberen Erdkruste und das wichtigste Mineral zur Stoßwellen-Barometrie ist. Die Ziele sind (i) die Untersuchung des Einflusses von Porosität und Wassersättigung auf die Ausbildung von Stoßwelleneffekten und die progressive Stoßwellenmetamorphose, (ii) die Druckkalibrierung dieser Effekte, besonders im Bereich von 5 bis 15 GPa, im Hinblick auf die Verbesserung der Stoßwellenmetamorphose-Klassifikation, (iii) die Analyse von stoßwellen-induzierten Aufschmelzungen, und (iv) die Aufklärung der Bildungsmechanismen von Planaren Deformationselementen in Quarz und von SiO2-Hochdruckphasen. Ausgangspunkt für die Untersuchungen sind Stoßwellenexperimente mit trockenem und wassergesättigtem Sandstein und mit Quarzit. Die Auswertung der geschockten Proben erfolgt durch mineralogische Untersuchungen, die zur Interpretation der Ergebnisse mit Modellrechnungen (Projekt Numerische Modellierung von Impaktprozessen) kombiniert werden.

Team:

Kooperationspartner: 

Publikationen und Konferenzbeiträge:

  • Kowitz, A., Güldemeister, N., Reimold, W. U., Schmitt, R. T. and Wünnemann, K. 2013. Diaplectic quartz glass and SiO2 melt experimentally generated at only 5 GPa shock pressure in porous sandstone: Laboratory observations and meso-scale numerical modeling. Earth and Planetary Science 384, 17-26.
  • Kowitz, A., Schmitt, R. T., Reimold, W. U. and Hornemann, U. 2013. The first MEMIN shock recovery experiments at low shock pressure (5-12.5 GPa) with dry, porous sandstone. Meteoritics and Planetary Science 48, 99-114.
  • Buhl, E., Kowitz, A., Elbeshausen, D., Sommer, F., Dresen, G., Poelchau, M. H., Reimold, W. U., Schmitt, R. T. and Kenkmann, T. 2013 Particle size distribution and strain rate attenuation in hypervelocity impact and shock recovery experiments. Journal of Structural Geology 56, 20-33.
  • Kowitz, A., Güldemeister, N., Schmitt, R. T., Reimold, W. U., Wünnemann, K. and Holzwarth, A. (2016) Revision of existing shock classifications for quartzose rocks using low shock pressure recovery experiments (2.5-20 GPa) and meso-scale numerical modeling. Meteoritics and Planetary Science, accepted.

Projektil–Target Interaktion

Schmelz- und Verdampfungsprozesse in Hochgeschwindigkeitsexperimenten und natürlichen Impaktiten

In diesem Teilprojekt untersuchen wir die chemisch-physikalische Interaktion zwischen Projektil und Target während Impaktereignissen. Mit einer Kombination aus Hochgeschwindigeits-Impaktexperimenten, innovativen Laserexperimenten und petrologischen Untersuchungen an natürlichen Impaktgesteinen versuchen wir, chemisch-physikalische Prozesse während der Bildung von Impaktschmelzen und -kondensaten besser zu verstehen. Insbesondere die Reaktion von Karbonaten auf extreme Druck- und Temperaturbedingungen während der Dekompressionsphase von Impaktereignissen steht im Vordergrund dieses Teilprojektes. Die innovativen Elemente dieses Teilprojektes sind, Ergebnisse aus bewährten Impaktexperimenten und erstmalig durchgeführten Laserexperimenten unter idealisierten Laborbedingungen mit Untersuchungen an natürlichen Impaktschmelzgesteinen zu verknüpfen.

Team:

Kooperationspartner

Publikationen

  • Hamann C., Stöffler D., and Reimold W. U. Interaction of aluminum projectiles with quartz sand in impact experiments: formation of khatyrkite (CuAl2) and reduction of SiO2 to Si. Geochimica et Cosmochimica Acta, in press.
  • Van Roosbroeck N., Hamann C., McKibbin S., Greshake A., Wirth R., Pittarello L., Hecht L., Claeys P., and Debaille V. Immiscible silicate liquids and phosphoran olivine in Netschaëvo IIE silicate: analogue for planetesimal core–mantle boundaries. Geochimica et Cosmochimica Acta, in press.
  • Ebert M., Hamann C., Hecht L. Laser-induced melting experiments: simulation of short-term high-temperature impact processes. Meteoritics & Planetary Science, in press.
  • Schultze D.S., Jourdan F., Hecht L., Reimold W.U., Schmitt R.-T. 2016. Tenoumer impact crater, Mauritania: Impact melt genesis from a lithologically diverse target. Meteoritics & Planetary Science 51, 323-350.
  • Ebert M., Hecht L., Deutsch A., Kenkmann T., Wirth R., and Berndt J. 2014. Geochemical processes between steel projectiles and silica-rich targets in hypervelocity impact experiments. Geochimica et Cosmochimica Acta 133, 257–279.
  • Ebert M., Hecht L., Deutsch A., and Kenkmann T. 2013. Chemical modification of projectile residues in a MEMIN cratering experiment. Meteoritics & Planetary Science 48, 134–149.
  • Hamann C., Hecht L., Ebert M., and Wirth R. 2013. Chemical projectile–target interaction and liquid immiscibility in impact glass from the Wabar craters, Saudi Arabia. Geochimica et Cosmochimica Acta 121, 291–310.

 

Weitere Informationen

Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: seit 2009

Projektwebseite: http://www.memin.de/