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Ergebnisse Projekt 2

Untergrunddeformation bei Hochgeschwindigkeitseinschlägen in Seeberger Sandstein

Einleitung

Die meisten planetaren Oberflächen in unserem Sonnensystem weisen eine Porosität auf. Dabei kann es sich um die sedimentären Gesteine der Erdoberfläche, oder den Regolith planetarer Objekte handeln. Dieser Umstand bedingt, dass auch die meisten natürlichen Impaktkrater in porösem Material gebildet werden. Um diese Einschläge zu untersuchen ist es daher grundlegend die Auswirkungen der Porosität auf Impaktmechanismen zu verstehen. Zusätzlich sind die Einflüsse von Wasser oder Eis das sich im Porenraum befinden kann bisher wenig verstanden.

Obwohl Untersuchungen von natürlichen Kratern, Impaktexperimenten und numerischen Modellen gezeigt haben, dass Porosität und Porenraumsättigung von großer Bedeutung für die Kraterbildung sind, gibt es nur wenige Studien zur Kraterbildung in porösen Festkörpern. Von diesen wiederum haben sich nur wenige mit der Untersuchung des Krateruntergrundes beschäftigt. Um diese Wissenslücke zu schließen wurde das Projekt 2 im Rahmen MEMIN Forschergruppe ins Leben gerufen.

Experimente und Ergebnisse

Für unsere Untersuchungen wurde eine Serie von Impaktexperimenten an den Leichtgas-Beschleunigungsanlagen des Fraunhofer Ernst-Mach-Institut (EMI) durchgeführt. Um die Auswirkungen der Porenraumsättigung zu untersuchen wurden für diese Studie ein trockener und ein mit Wasser gesättigter Sandsteinblock verwendet. Für die Einschläge wurden 2.5 mm Stahlkugeln auf 4.8 km/s bzw. 5.3 km/s beschleunigt.

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Wasser gesättigter Sandsteinblock kurz vor dem Experiment.

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Krater im nassen Sandstein.

Als Ziele wurden hierfür 20 cm Würfel aus Seeberger Sandstein benutzt. Dabei handelt es sich um einen Quarzsandstein mit einer Korngröße von 100 ±25 µm und einer Porosität von 23 ± 1 vol. %. Im Wasser gesättigten Experiment wurde eine maximale Sättigung des Porenraums von 91 % erreicht.

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Seeberger Sandstein a) BSE Aufnahme b) Modale Zusammensetzung.

Bei verschiedener stärke der Deformation wurden verschiedene Deformationsmechanismen gefunden. Bei einer intensiven mikrostrukturellen Untersuchung des trockenen Experiments, wurden vier verschiedene Zonen unterschiedlicher Deformation gefunden und kartiert. Als Grundlage dienten die verschiedenen Deformationsmechanismen (c, d, e, f)

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a) Schnitt durch das trockene Experiment. Die Deformationszonen sind farbig markiert. b) Krater Aufsicht c-f) Dünnschiffbilder der Deformationszonen.

Bei der mikroskopischen Untersuchung des gesättigten Experiments wurden drei unterschiedlich deformierte Zonen gefunden. Der hauptsächliche Unterschied zum trockenen Experiment ist die Abwesenheit der Zone pervasiver Kornzerkleinerung und Kompaktion. (c, d, e).

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a) Querschnitt durch das Wasser gesättigte Experiment. Die Deformationszonen sind farblich markiert. b) Krater Aufsicht c-e) Dünnschliffbilder der Deformationszonen.

Die beschriebenen Deformationszonen haben wir wie folgt benannt: 

I. Zugriss-Zone (gelb). Die Mikrostruktur ist charakterisiert durch pervasive Kornzerkleinerung. Diese Mikrostruktur ist jedoch von markanten Zugrissen durchzogen.
II. Zone pervasiver Kornzerkleinerung und Kompaktion (orange). Die Mikrostruktur ist dominiert von durchdringender Kornzerkleinerung und einem fast vollständigen Verlust der Porosität. Diese Zone ist im gesättigten Experiment nicht vorhanden. 
III. Zone lokalisierter Deformation (rot). Charakterisiert von Zonen starker lokalisierter Deformation die in undeformiertem Sandstein eingebettet sind. Die mittlere Porosität ist nur leicht reduziert durch das abwechselnde Auftreten von kompaktiertem und unkompaktiertem Material.
IV. Zone einsetzender Spallation (magenta). Zeichnet sich durch intergranulare Brüche und nicht ausgeworfene spall Stücke aus. Die Bruchstücke sind meist Tafelig.

 

Mit Hilfe von quantitaiver Bildanalyse wurden die Porositäten vor und nach der Deformation bestimmt. Die Porosität nach der Deformation zeigt eine Abhängigkeit vom Abstand zum Kraterboden. Dabei ist die Zone pervasiver Kornzerkleinerung die mit der geringsten Porosität. Oberhalb dieser Zone ist der prozentuale Porenraum durch die Zugrisse stark erhöht. Unterhalb nähert sich die Porosität graduell der Porosität des Ausgangsgesteins.

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Porosität (rot) wird per Bildanalyse bestimmt a) Zone pervasive Kornzerkleinerung b) Undeformierter Sandstein.

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Porosität in Abhängigkeit von der Entfernung zum Impaktpunkt.

Während der Mikrostrukturellen Untersuchungen wurde eine Vielzahl intragranularer Risse gefunden. Um diese zu analysieren wurde ca. 1800 risse pro Experiment kartiert und ausgewertet. Um die Abweichung der Risse von einer radialen Orientierung zu bestimmen wurden die Winkelabweichungen für alle Risse berechnet. Diese Untersuchung ergab für beide Experimente eine Vorzugsorientierung der Risse in radialer Richtung.

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Concussion Risse (Herzsche Risse) b) Winkelabweichung von radialer Orientierung.

Diskussion

Die Sättigung mit Porenwasser resultiert in einer deutlichen Veränderung und Vergrößerung der Kratermorphologie. Im speziellen zeigt sich eine Abnahme des Tiefe-zu-Durchmesser Verhältnisses. In beiden Experimenten konnten Zonen unterschiedlicher Deformation definiert worden. Die stärkste Deformation konnte in beiden Experimenten direkt am Kraterboden festgestellt werden.

Übersicht der experimentellen Parameter.

Parameter

Exp. A6-5126
Dry sandstone

Exp. A11-5181
Wet sandstone

Grain size [µm]

70-125

~70-125

Porosity [%]

23 ± 1

23 ± 1

Water saturation

Dry

Ca 90%

Projectile mass [g]

0.0671

0.0670

Velocity [km/s]

4.8

5.3

Kinetic energy [J]

773

941

Crater diameter [mm]

57.6

101.6

Crater depth [mm]

11.0

14.3

Crater volume [mm³]

7600

31100

Volume zone A1 [mm³]/[% crater vol.]

107/1.4

608/2

Volume zone B2 [mm³]/[% crater vol.]

659/9

-/-

Volume zone C3 [mm³]/[% crater vol.]

1209/16

1960/6

Max. thickness zone A1 [mm]/[dp]

0.9/0.36

1.9/0.76

Max. thickness zone B2 [mm]/[dp]

3.4/1.36

-/-

Max. thickness zone C3 [mm]/[dp]

2.4/0.96

6.0/2.4

1Zone of Tensile Failure, ²Zone of Pervasive Grain Crushing and Compaction, ³Zone of Localized Deformation

Die Entwicklung der Deformationsstrukturen bei zunehmender Verformung ist im Bild veranschaulicht:

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Entwicklung des Gesteinsversagens mit zunehmender axialer Verformung.

Die initiale Deformation ist durch das Aufbrechen der Korngrenzen gekennzeichnet. Die ersten Risse entstehen entlang von Ketten von Quarzkörnern entlang derer Kräfte übertragen werden. Bei zunehmender Verformung zerbrechen die Körner und der initiale Porenraum kollabiert. Neue Risse entstehen entlang der neu geschaffenen Kornkontakte in der Nähe des ursprünglichen Versagens. Bei noch stärkerer Verformung werden diese Bänder breiter, bis es schließlich zu flächigem Versagen kommt.

Interessanterweise ist der Grad der Kornzerkleinerung in der Nähe der Kraterbodens im trockenen Experiment höher als im nassen Experiment. Die Zone der pervasiven Kornzerkleinerung wurde nicht im nassen Experiment gefunden. Vermutlich verhindert das Wasser im Porenraum effektiv den Porenraumkollaps und die Kornzerkleinerung. Zusätzlich zeigt die Zone der lokalisierten Deformation im nassen Experiment ein deutlich größeres Volumen an Zerkleinertem Material. Das weist ebenfalls auf eine effektivere Schockwellendämpfung im trockenen Material hin. Widersprüchlich erscheint jedoch, dass im ausgeworfenen Material des nassen Experiments ein höherer Anteil an sehr feinem Material gefunden wurde. Eine Erklärung dafür könnte ein zusätzliche mechanische Belastung durch die explosionsartige Verdampfung von Porenwasser während der Druckentlastung sein.

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Zugriss in stark zerkleinertem Sandstein.

Die Zugriss-Zone unterhalb der Kratermitte zeigt Zugrisse parallel zum Kraterboden. Diese entstehen bei der Druckentlastung durch die sekundäre Zugwelle.

Ähnlich in der Entwicklung sind die Spallationsrisse entlang der Krateränder. Deren Geometrien unterscheiden sich zwischen dem trockenen und dem nassen Experiment. Alle Risse pflanzen sich von den Kraterwänden aus in das Gestein fort. Mindestens ein Riss breitet sich dabei zur Gesteinsoberfläche aus. Im Gegensatz zum trockenen Experiment weisen die Risse im nassen Experiment eine Verzweigung auf und einer der Äste pflanzt sich ins Innere des Ziels fort.

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Risse im nassen Experiment im Vergleich zu Rissen in Basalt (Polanskey & Ahrens 1990)

Schlussfolgerung 

Das Ziel dieser Untersuchung ist ein besseres Verständnis von Deformationsmechanismen in porösem Festgestein während eines Impakts. Unterschiedliche Formen von Bruchverformung wurden für beide Experimente festgestellt und kartiert. Die gefunden Unterschiede sind in sehr guter Übereinstimmung mit Veröffentlichungen zu planaren Impakttests von nassem und trockenem Sandstein. Die Anwesenheit von Wasser im Porenraum verhindert den Porenkollaps und Kornzerkleinerung und verringert somit die Schockwellendämpfung. Das führt zur Abwesenheit der Zone pervasiver Kornzerkleinerung und einer größeren Ausdehnung der Zone lokalisierter Deformation im nassen Experiment. Die Entwicklung von concussion Rissen bleibt davon unbeeinflusst, da deren Orientierung in beiden Experimenten Gleich ist.

Elmar Buhl

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