Impaktmetamorphose

Impaktmetamorphose (auch Stoßwellen-Metamorphose) bezeichnet die Umwandlung von Gesteinen und Mineralen durch den Einschlag (Impakt) beispielsweise eines Meteoriten auf der Erde oder einem anderen Planeten oder Asteroiden.

Beim Einschlag pflanzen sich die Schockwellen mit Überschallgeschwindigkeit im Gestein fort. Dabei können Temperaturen von mehreren tausend Grad und Drücke zwischen 105 und 106 bar auftreten. Diese Bedingungen führen zum Schmelzen und Verdampfen und zur großflächigen Zertrümmerung von Gesteinen. Durch den extrem hohen Druck und die sehr hohe Temperatur, welche beim Einschlag entstehen, wandeln sich auch die Minerale in eine für die im Augenblick herrschenden Bedingungen stabile Phase um, beispielsweise Quarz in Coesit.

Besonders gut lassen sich die Wirkungen eines solchen Ereignisses an den Veränderungen im Quarz und in Feldspäten studieren. Die Wirkungen in anderen Mineralen sind vielfältig. Biotit-Kristalle z. B. weisen Knickbänder auf. Die Schockwellen können darüber hinaus charakteristische Strukturen im Gestein hervorrufen, die Strahlenkegel (Shatter Cones).

Diese Art vom Gesteinsmetamorphose kann z. B. am Barringer-Krater in Arizona sowie im Nördlinger Ries nachvollzogen werden. Häufiger ist die Erscheinung auf dem Mond und Planeten mit fester Oberfläche und ohne Atmosphäre zu beobachten; auch viele Meteoriten sind auf ihrem Flug durch den Weltraum durch Impaktmetamorphose(n) verändert worden. So findet man in Chondriten Schockadern mit geschmolzenem Troilit und isotropem Feldspat (Maskelynit). Vor allem Marsmeteorite sind durch den Impakt verändert worden, der zu ihrer Herauslösung aus der Marsmasse führte.

Skalierung

Die Intensität der metamorphen Veränderung in den Ausgangsgesteinen hängt neben dem einwirkenden Druck bzw. der einwirkenden Temperatur auch von deren mineralogischer Zusammensetzung ab, was einen direkten Vergleich erschwert. Anhand von petrographischen Untersuchungen an Gesteinen aus dem Nördlinger Ries wurde die folgende Skala entwickelt[1][2]:

StufeDruck

[GPa]

Temperatur

[°C]

Veränderungen in den Mineralphasen
010100Glimmer: Auftreten von Knickbändern
I10–35300planare Elemente in Quarz und Feldspat

erstes Auftreten von Stishovit

II35–45900Bildung diaplektischer Gläser aus Quarz und Feldspat

erstes Auftreten von Coesit

III45–601500Feldspat schmilzt, bildet blasenreiches Glas
IV60–1002000–5000Gestein schmilzt völlig unter Bildung von inhomogenem Glas
V>100bis über 10.000Gestein verdampft

Oft sind in einem Handstück mehrere dieser Änderungen ausgebildet und damit nicht die Angabe einer Stufe, sondern nur eines Bereichs (von ... bis ...) sinnvoll.

Für die impaktmetamorphen Erscheinungen in Chondriten wurde eine ähnliche Skalierung vorgestellt (Stöffler-Keil-Scott-Skala),[3][4] wobei besonders auf die Änderungen in den dort wichtigen Mineralphasen Olivin und Plagioklas abgestellt wird.

StufeDruck

[GPa]

Temperatursteigerung

[°C]

Veränderungen in den Mineralphasen
S1<5<10unregelmäßige Brüche
S25–1010–20undulöse Auslöschung in Olivin und Plagioklas
S310–2020–100erstes Auftreten opaker Schockadern

planare Brüche in Olivin

S420–35100–300erstes Auftreten von Mosaizismus in Olivin

Ausbildung von Schmelztaschen

S535–55300–600Bildung von Maskelynit aus Plagioklas

planare Elemente in Olivin

S655–90600–1500Rekristallisation von Olivin

Plagioklas schmilzt

Bildung von Ringwoodit

Schockschmelze>90>1500Bildung von Impaktschmelzen und Impaktschmelzbreccien

Differentialdiagnose

Als sichere Kennzeichen für einen impakmetamorphen Einfluss auf ein Gestein sind die folgenden diagnostischen Kriterien allgemein anerkannt[5]:

  1. die Anwesenheit von Strahlenkegeln (engl. shatter cones)
  2. der Nachweis von Überresten (Fragmenten) des Impaktors
  3. chemische oder Isotopen-Signaturen im Gestein, die auf extraterrestrischen Einfluss hinweisen
  4. die Anwesenheit von Hochdruck-Mineralphasen
  5. die Anwesenheit diaplektischer Gläser
  6. die Anwesenheit von erstarrten Hochtemperatur-Schmelzen
  7. planare Brüche (engl. planar fractures, Abkürzung.: PFs) in Quarzkörnern
  8. planare Deformationselemente (engl. planar deformation features, Abkürzung PDFs) in Quarzkörnern.

Von diesen Merkmalen ist lediglich das Vorhandensein von Strahlenkegeln makroskopisch feststellbar; sämtliche anderen Merkmale erfordern ausführliche Laboruntersuchungen. Da hier zudem Unsicherheiten (so ist beispielsweise das Hochdruck-Mineral Coesit auch in Gesteinen terrestrischen Ursprungs nachgewiesen) und Verwechslungsmöglichkeiten (etwa zwischen planaren Deformationselementen in Quarz und durch terrestrische Tektonik entstandenen Deformationslamellen) bestehen, ist bei der Diagnose ein sorgfältiges Vorgehen erforderlich.

Zahlreiche weitere Merkmale von Gesteinen und geomorphologischen Strukturen (etwa die Ausbildung einer ringförmigen oder kraterähnlichen Struktur im Gelände) werden mit Impaktmetamorphose in Verbindung gebracht, können jedoch für sich allein genommen die impaktmetamorphe Natur nicht sicher begründen.[5]

Siehe auch

Literatur

  • B. French, N. Short (Hrsg.): Shock Metamorphism of Natural Materials. Mono Book Corp., Baltimore 1968.
  • Wolfhard Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. Stuttgart (Enke) 1985, ISBN 3-432-94671-6

Einzelnachweise

  1. ↑ R. Hüttner, H. Schmidt-Kaler: Die geologische Karte des Rieses 1:50.000. In: Geologica Bavarica. Band 104. Bayerisches Geologisches Landesamt, München 1999, S. 7–76.
  2. ↑ W. v. Engelhardt, D. Stöffler, W. Schneider: Petrologische Untersuchungen im Ries. In: Geologica Bavarica. Band 61. Bayerisches Geologisches Landesamt, München 1969, S. 229–295.
  3. ↑ D. Stöffler, K. Keil, E. Scott: Shock metamorphism of ordinary chondrites. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 55, 1991, S. 3845–3867.
  4. ↑ O. R. Norton: The Cambridge Encyclopedia of Meteorites. Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-62143-7, S. 93–95.
  5. ↑ a b B. M. French, C. Koeberl: The convincing identification of terrestrial meteorite impact structures: What works, what doesn't, and why. In: Earth-Science Reviews. Band 98, 2010, S. 123–170.