Struktur und Bildung von Strahlenkegeln in experimentellen und natürlichen Impaktkratern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt als Teilprojekt der DFG-Forschergruppe "Experimentelle Kraterbildung: Das MEMIN II Programm (Multidisziplinäres Experimentelles und Modellierungs-Impaktforschungsnetzwerk)" wurde von 2013-2018 vom Antragsteller Kenkmann (Uni Freiburg) in Kooperation mit der Universität Jena (Langenhorst) durchgeführt. Strahlenkegel entstehen in Meteoritenkratern und sind die einzigen Schockeffekte, die bereits makroskopisch erkennbar sind. Sie sind damit diagnostisch wichtig, um alte erodierte Impaktkrater zu identifizieren. Das Projekt verfolgte das Ziel, die Bildungsbedingungen von Strahlenkegeln durch eine experimentelle Analyse und den Vergleich mit natürlichen Strahlenkegeln einzugrenzen und ein Modell zur Bildung von Strahlenkegeln aufzustellen. Hintergrund des Projektes war, dass es bislang weder Konsens hinsichtlich der physikalischen Randbedingungen, unter denen sich Strahlenkegel bilden, noch bezüglich der Mechanismen (Zug- oder Scherversagen) gibt. Es gelang im Rahmen MEMIN-Experimentkampagne, Strahlenkegel experimentell in Sandstein, Quarzit und Kalkstein zu produzieren, nicht jedoch in hochporösem Tuff. Die experimentell gebildeten Strahlenkegel wurden im Zuge der Kraterexkavation aus dem Krater herausgeschleudert und lagen als mehrere Millimeter große Fragmente vor. Die physikalischen Bildungsbedingungen konnten eingegrenzt werden: So konnten wir zeigen, dass sie bei Einschlagsgeschwindigkeiten von 4,6 bis 7,8 km/s von 2,5 bis12 mm großen Projektilen erzeugt werden können, wobei Stoßwellen-Spitzendrücke von 45-86 GPa in den Experimenten entstanden. Eine detaillierte elektronen-optische mikrostrukturelle Analyse der Oberflächen der Strahlenkegel zeigte, dass eine mehrphasige Deformation, die mit der Stoßwellenbelastung beginnt und bis zur Druckentlastung reicht, stattfindet. Hierbei kommt es zur Scherlokalisierung inklusive partieller Aufschmelzung der Gesteine. Die Schmelze enthält geschockte Quarzminerale und schäumt bei der Entlastung auf. Die experimentellen Strahlenkegel wurden mit natürlich gebildeten Strahlenkegeln morphometrisch verglichen. Hierzu wurden mittels Weißlichtinterferometrie digitale Höhenmodelle mit Mikrometerauflösung von den Oberflächen produziert. Ein wichtiges Ergebnis des Projektes war, dass Strahlenkegel nicht, wie oftmals angenommen, durch eine singuläre Heterogenität an der Spitze des Strahlenkegels entstehen, sondern das Resultat wiederholter Riss-Bifurkation der schnell propagierenden Rissspitze sind, wodurch ein hierarchisches Bifurkationsmuster entsteht. Auf dieser Basis haben wir ein Modell entwickelt, dass sämtliche morphologischen Charakteristika von Strahlenkegeln einschließlich deren Apex, der charakteristischen Lineationen sowie der Änderung des Krümmungsverhaltens der Bruchflächen reproduzieren kann. Dieses Modell wurde auf natürliche und experimentell gebildete Strahlenkegel erfolgreich angewendet. Allerdings handelt es sich nicht um ein dynamisches Modell in dem Sinne, dass ein Materialverhalten bei Stoßwellen-Belastung simuliert wird, in dem sich die Bruchstrukturen selbstständig ausbilden. Stattdessen wurden Bifurkationswinkel und -distanzen als Parameter systematisch variiert. Von daher sind weitere mikromechanische Modellierungen zur Bildung von Strahlenkegeln notwendig. Im Rahmen des Projektes wurden drei Manuskripte in der Fachzeitschrift "Meteoritics and Planetary Science" veröffentlicht sowie sieben Beiträge auf internationalen Konferenzen vorgestellt. Der wissenschaftliche Projektmitarbeiter promovierte zu dem Thema an der Universität Freiburg.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2015. Formation of shatter cones in the MEMIN impact experiments. 78th Annual Meeting of the Meteoritical Society 2015, Berkeley, California, Abstract #5102
Wilk J. and Kenkmann T.
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2015. Shatter Cones: A Cascade of Bifurcation During Dynamic Fragmentation. 78th Annual Meeting of the Meteoritical Society 2015, Berkeley, California, Abstract #5216
Kenkmann T. and Wilk J.
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2015. The Surface Structure of Shatter Cones in Experimental Impact Craters. 46th Lunar and Planetary Science Conference, Houston, Texas, Abstract #2637
Wilk J. and Kenkmann T.
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2016. Formation of shatter cones by symmetric fracture bifurcation: Phenomenological modeling and validation. Meteoritics and Planetary Science 51:1519–1533
Kenkmann T., Hergarten S., Kuhn T., and Wilk J.
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2016. Formation of shatter cones in MEMIN impact experiments. Meteoritics and Planetary Science 51:1477–1496
Wilk J., and Kenkmann T.
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2016. Melt Formation on Shatter Cone Surfaces I Sandstone, Part I: Surface Morphology. Lunar and Planetary Science Conference 47,#2636
Wilk J., Hamann C., Kenkmann T. and Hecht L.
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2016. Melt Formation on Shatter Cone Surfaces in Sandstone, Part II: Melt Composition Lunar and Planetary Science Conference, 47, #2381
Hamann C., Wilk J.,Hecht L., Kenkmann T.
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2016. Melt formation on shatter cone surfaces recovered from the MEMIN hypervelocity impact experiments in sandstone. 79th Annual Meeting of the Meteoritical Society, Berlin, Abstract #6523
Wilk J., Hamann C., Hecht L. and Kenkmann T.
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2017. New Insights into Shatter Cone Formation from MEMIN Experiments. European Planetary Science Congress, 2017, 11
Wilk, J., Kenkmann, T., Hamann C.
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2018. Melt formation on shatter cones recovered from the memin impact experiments in sandstone. Meteoritics and Planetary Science 53: 1569-1593
Wilk J., Hamann C., Fazio A., Hecht L., Langenhorst F., and Kenkmann T.
