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, so genannte 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; viele Meteoriten sind auf ihrem Flug durch den Weltraum durch Impaktmetamorphose(n) verändert worden. In Chondriten findet man 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]:

Stufe	Druck [GPa]	Temperatur [°C]	Veränderungen in den Mineralphasen
0	10	100	Glimmer: Auftreten von Knickbändern
I	10–35	300	planare Elemente in Quarz und Feldspat erstes Auftreten von Stishovit
II	35–45	900	Bildung diaplektischer Gläser aus Quarz und Feldspat erstes Auftreten von Coesit
III	45–60	1500	Feldspat schmilzt, bildet blasenreiches Glas
IV	60–100	2000–5000	Gestein schmilzt völlig unter Bildung von inhomogenem Glas
V	>100	bis über 10000	Gestein verdampft

Oft sind in einem Handstück mehrere dieser Änderungen ausgebildet und damit nur eine Bereichsangabe 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.

Stufe	Druck [GPa]	Temperatursteigerung [°C]	Veränderungen in den Mineralphasen
S1	<5	<10	unregelmäßige Brüche
S2	5–10	10–20	undulöse Auslöschung in Olivin und Plagioklas
S3	10–20	20–100	erstes Auftreten opaker Schockadern planare Brüche in Olivin
S4	20–35	100–300	erstes Auftreten von Mosaizismus in Olivin Ausbildung von Schmelztaschen
S5	35–55	300–600	Bildung von Maskelynit aus Plagioklas planare Elemente in Olivin
S6	55–90	600–1500	Rekristallisation von Olivin Plagioklas schmilzt Bildung von Ringwoodit
Schockschmelze	>90	>1500	Bildung von Impaktschmelzen und Impaktschmelzbreccien

Differentialdiagnose

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

die Anwesenheit sogenannter Strahlenkegel (engl. shatter cones);
der Nachweis von Überresten (Fragmenten) des Impaktors;
chemische oder Isotopen-Signaturen im Gestein, die auf extraterrestrischen Einfluss hinweisen;
die Anwesenheit von Hochdruck-Mineralphasen;
die Anwesenheit diaplektischer Gläser;
die Anwesenheit von erstarrten Hochtemperatur-Schmelzen;
planare Brüche (engl. planar fractures, Abkürzung.: PFs) in Quarzkörnern;
sogenannte 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 (wie 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

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.
W. v. Engelhardt, D. Stöffler, W. Schneider: Petrologische Untersuchungen im Ries. In: Geologica Bavarica. Band 61. Bayerisches Geologisches Landesamt, München 1969, S. 229–295.
D. Stöffler, K. Keil, E. Scott: Shock metamorphism of ordinary chondrites. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 55, 1991, S. 3845–3867.
O. R. Norton: The Cambridge Encyclopedia of Meteorites. Cambridge University Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-62143-7, S. 93–95.
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.

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[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.

[:0-5] 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.