MEMIN-Teilprojekt: Stoßwellenprozesse im Mikromaßstab in Sandstein
01.01.2009 – 31.12.2016

Einschläge kosmischer Projektile auf der Erde erzeugen in den Gesteinen charakteristische Stoßwelleneffekte, die genutzt werden können, um den Einschlag zu verifizieren und eine Druckbestimmung im beaufschlagten Gestein durchzuführen. Besonders typische Effekte zeigt das Mineral Quarz, das in der obersten Kruste der Erde häufig vorkommt.

In diesem Teilprojekt „Stoßwellenprozesse im Mikromaßstab in Sandstein„ wurde die Stoßwellenmetamorphose von Sandstein durch Sprengstoffexperimente, die am Fraunhofer Ernst-Mach-Institut durchgeführt wurden, untersucht. Der Experimentaufbau stellt im Kleinen nach, was beim Einschlag eines Asteroiden auf die oberste Kruste der Erde passiert. Der Versuchsaufbau, genauer: die „Stoßwellenrückgewinnungsanordnung„, lieferte Vergleichsmaterial für die Einordnung von natürlich schockdeformierten Gesteinen.

In nicht-porösen, Quarz-reichen Gesteinen wie etwa Granit entstehen bei Einschlägen ab ca. 10 GPa sogenannte planare Deformationselemente. Das sind amorphe Defekte, die sich regelhaft in der der Kristallstruktur der Quarzkörner bilden. Bei höheren Stoßwellenintensitäten und damit Drücken bilden sich aus Quarz dann ab ca. 35 GPa sogenannte diaplektische Gläser (also im Festzustand amorphisiertes Material, das im Gegensatz zu aus einer Schmelze erstarrtem Glas nicht flüssig war) und teilweise auch Coesit, eine Hochdruckmodifikation von Quarz. Unter noch höheren Drücken, ab ca. 55-60 GPa, schmilzt der Quarz und es bildet sich aus Schmelze erstarrtes Glas.

In porösen Quarz-reichen Gesteinen, z. B. Sandstein, treten die typischen planaren Deformationselemente insbesondere bei kleinen Einschlägen (Kraterdurchmesser kleiner als 2 km) aber kaum auf. Daher war es ein Problem, kleine Einschlagskrater, wie sie etwa in der Sahara zu finden sind, sicher anhand solcher Stoßwelleneffekte zu identifizieren. Die Untersuchung der Sandsteinproben aus den insgesamt 20 Stoßwellenrückgewinnungsexperimenten lieferte wichtige Daten zur Einordnung der Spuren im Gestein. Im Projekt wurden etwa 25 Mikrometer starke Dünnschliffe des deformierten Probenmaterials erstellt und mit Licht- und Elektronenmikroskopen sowie einem Raman-Spektrometer strukturell charakterisiert.

Die Auswertung hat die Erwartungen der Forschenden weitgehend bestätigt. Wie die Kenntnisse der Spuren an natürlichen Kratern vermuten ließen, wurden auch in den Experimenten die typischen planaren Deformationseffekte kaum beobachtet. Der Stoßwellendruck verteilt sich sehr ungleichmäßig innerhalb des Gesteins, was schon bei vergleichsweise niedrigen Drücken dazu führt, dass poröse Quarzgesteine teilweise schmelzen. Die Laborergebnisse helfen dabei, Einschlagskrater auf der Erde identifizieren und eine Druckabschätzung ihrer Gesteine vornehmen zu können.

Ganz besonders interessant war, dass schon in mit niedrigem Stoßwellendruck beanspruchtem Sandstein sporadisch das Hochdruckmineral Stishovit entdeckt wurde. Transmissionselektronenmikroskopie spielte bei dieser Entdeckung eine wichtige Rolle und hat wesentlich zum Verständnis der Bildung dieses Hochdruckminerals in Impaktgesteinen beigetragen.

Kooperationspartner

Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik Ernst-Mach Institut (EMI)
Institut für Geowissenschaften, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Publikationen und Konferenzbeiträge

• Ebert M., Kowitz A., Schmitt R.T., Reimold W.U., Mansfeld U., Langenhorst F. (2018). Localized shock induced melting of sandstone at low impact pressures (<17.5 GPa): An experimental study. Meteoritics and Planetary Science 53(8), 1633–1643. doi:10.1111/maps.12948
• Mansfeld U., Langenhorst F., Ebert M., Kowitz A., Schmitt R.T. (2017). Microscopic evidence of stishovite generated in low-pressure shock experiments on porous sandstone: constraints on its genesis. Meteoritics and Planetary Science 52(7), 1449–1464. doi:10.1111/maps.12867
• Kowitz A., Güldemeister N., Schmitt R.T., Reimold W.U., Wünnemann K., 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 51(10), 1741–1761. doi:10.1111/maps.12712
• 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 hypervelocity impact and shock recovery experiments. Journal of Structural Geology 56, 20–33. doi:10.1016/j.jsg.2013.08.007
• Kowitz A., Schmitt R.T., Reimold W.U., 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. doi:10.1111/maps.12030
• 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 384, 17–26. doi:10.1016/j.epsl.2013.09.021