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Ergebnisse Projekt 7

Niedrig-Druck Stoßwellenrückgewinnungsexperimente in Sandstein

Die Identifikation von Impaktkratern anhand von stoßwelleninduzierten Deformationsstrukturen in porösen, trockenen oder wassergesättigten Gesteinen (z.B., Sandsteinen) ist äußerst schwierig und komplex. Ein Grund hiefür ist, dass das meiste Material eines Kraters, insbesondere kleiner oder erodierter Krater, eine niedriggradige Stoßwellenbelastung erfahren hat, für die zur Zeit noch keine diagnostischen, stoßwelleninduzierten Deformationsstrukturen oder –phänomenen in Mineralen gefunden wurden. In diesem Projekt widmen wir uns dem Problem, indem wir Seeberger Sandstein Stoßwellen-experimentell deformieren, mit dem Ziel, ein Klassifikationsschema für poröse und/oder wassergesättigte, quarzführende Gesteine im niedriggradigen Stoßwellendruckbereich (2.5- 17.5 GPa) zu erstellen.

Hierfür wurden Stoßwellenrückgewinnungsexperimente mit der Impedanzmethode durchgeführt mittels einer Sprengstoffanordnung, bei der planare Stoßwellen in dem Sandsteinzylindern generiert werden.

 

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Experimenteller Aufbau

 

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Geschockter Stahlzylinder

 

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Geschockter Sandsteinzylinder, eingebettet im Stahlzylinder

 

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Dünnschliffscans der verschiedenartig stoßwellenbeanspruchten Proben

Zwei verschiedenartige Sandsteine (Seeberger Sandstein: Bank 5 und Bank 3; Korngröße ca. 0.1-0.17 mm, ~96 Gew.% SiO2, Porositäten von ~19 beziehungsweise 25-30 vol.%) wurden stoßwellenbeansprucht. Polierte Dünnschliffe der einzelnen Proben wurden daraufhin detailliert texturell und mineralogisch untersucht. Hierfür wurden das optische und das Rasterelektronenmikroskop, die Mikrosonde und die Raman-Spektroskopie verwendet.

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Optisches Mikroskop

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Rasterelektronen
-mikroskop

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Raman-Spektroskop

 

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a. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der verschiedenartig stoßwellenbeanspruchten Proben. Bereits bei einem Eingangsdruck von 2.5 GPa werden alle Poren restlos geschlossen.

 

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b.
Zahlreiche inter- und intragranulare Brüche durchziehen die Proben. Ihre Anzahl nimmt bis 10 GPa stetig zu - danach wieder ab.

 

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c.
Die Bruchbildung wird ab 5 GPa zunehmend durch Schmelzbildung ersetzt. Die Zunahme verschiedener, druckspezifischer Schmelzen konnte mit zunehmendem Stoßwellendruck beobachtet werden.

 

 

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d. Einzelne Quarzkörner zeigen eine partielle oder vollständige Umwandlung in diaplektisches Quarzglas. 


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e. Das Auftreten von planaren Deformationsstrukturen (PDFs) wurde erst bei einem Eingangsdruck von 10 GPa und höher beobachtet, obwohl dieses Phänomen in geschockten Quarz-Einkristallen und in Quarzit bereits bei 8-10 GPa auftritt.

 

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f.
Zusätzlich sind zwei außergewöhnliche Strukturen im Quarz entdeckt worden, die weitere detaillierte Untersuchungen erforderlich machen, da sie bisher noch nirgends beschrieben worden sind, aber das Potential besitzen, ein diagnostisches Charakteristikum für die niedriggradige Stoßwellenmetamorphose darzustellen.

 

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g. In nahezu allen Sandsteinzylindern konnten Scherzonen identifiziert werden, die stets mit kataklastischen Mikrobrekzien, diaplektischem Quarzglas und Quarzschmelze einhergehen.

 

Vor Allem die Bildung und Verteilung von diaplektischem Quarzglas, welches normalerweise in Einkristallen zur Bildung Drücke von mehr als 30 GPa benötigt, in unseren Experimenten aber bereits bei 10 GPa auftritt, bedarf detaillierter, weiterer Untersuchungen. Aufgrund unserer engen Zusammenarbeit mit dem MEMIN Projekt 5 (Mesoskalige Modellierung) ist es gelungen, eine Erklärung hierfür zu liefern. So können aufgrund des Porenkollapses lokal Druckspitzen auftreten, die bis zum Vierfachen des Eingangsdruckes erreichen können und somit die für die Bildung von Quarzglas notwendigen Drücke erzeugen.

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Astrid Kowitz

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