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Ergebnisse Projekt 8

Das Schicksal des Projektils in Impaktexperimenten

Ziel des Projekts

Projektilfragmente sind nur unter speziellen Bedingungen nach einem Hochgeschwindigkeitseinschlag erhalten. Meist findet man das Projektil als chemische Spuren im Kraterboden oder im Fernauswurf (Ejekta). Wobei die physikalisch-chemischen Bedingungen bei dieser Projektilplatznahme, der Mischung zwischen Projektil und Target und die Ursachen für dabei auftretende Inter-Elementfraktionierung bislang kaum bekannt sind. Inwieweit kontrollieren Impaktenergie sowie Wassersättigung und Porosität des Targets die Verteilung des Projektils?

Unsere Studie versucht diese Fragestellungen mit Hilfe von genau definierten experimentellen Bedingungen zu beantworten: Die extremen chemischen Unterschiede zwischen Target (Seeberger Sandstein, Quarzit und Tuff) und Projektil (Campo del Cielo Meteorit, Stahl und Aluminium) ermöglichen hierbei (1) eine genaue Identifikation kleinster Projektil-Partikel, und (2) die Bestimmung relativer Projektil-/Target-Anteile in Mischungen.

Charakterisierung und Auswahl von Projektil- und Targetmaterial

Zu den wesentlichen Aufgaben zählt die Vorcharakterisierung (chemisch und petrographisch) der Projektil- und Targetmaterialien. Um auch den chemischen Prozessen eines natürlichen Meteoriteneinschlags so nah wie möglich zu kommen wurde der Campo del Cielo Meteorit als Projektil gewählt. Weiterhin ermöglichen die hohen Konzentrationen an siderophilen und lithophilen Tracer Elementen (Co, Mo, Cr, V, und W) im Stahl D290-1 detaillierte Einblicke in Element-Fraktionierungsvorgänge während des Impakts.

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Fig. 1 (Oben) Seeberger Sandstein: Foto und Rückstreuelektronenbild (BSE) der mineralischen Hauptphasen. (Unten) Campo del Cielo Meteorit Projektil: Foto und Rückstreuelektronenbild (BSE) der mineralischen Hauptphasen.

Probenentnahme und Präparation der experimentellen Produkte

Mit Hilfe eines extra für diese Art von Hochgeschwindgkeitsexperimenten entwickelten Fängersystems war es möglich den größten Teil der Ejekta zu erfassen. Das modulare Fängersystem bestand hierbei u.a. aus einer hochporösen Steckmasse (Fig.2).

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Fig. 2 (Links) Ein Viertel des Ejektafängers bestehend aus hochporösen Steckmasse. Radial-symmetrisch (rote Markierung)  wurden 1-cm breite Stücke aus  der Steckmasse geschnitten (Rechts) und für die Ejektaseparation verwendet.

Eine erste Charakterisierung unterschiedlicher Ejektatypen fand mit dem optischen und dem Rasterelektron- mikroskop statt. Die unterschiedlichen Typen wurden nach ihrem Auswurfwinkel sortiert. Unterschieden wurden (1) schwach deformierte, (2) stark deformierte, und (3) hoch-geschockte (Projektil-reiche) Ejektafragmente (Fig. 3).

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Fig. 3 Die 3 unterschiedlichen Ejektatypen – separiert aus dem Ejektafänger (Fig. 2 links).

Das Ejekta-Fängersystem wurde verwendet um das Auswurfmaterial in Abhängigkeit vom jeweiligen Auswurfwinkel zu erfassen. Der Ejekta Typ 3 (rechte Box in Fig 3.), der ca. 10-30 % Projektilmaterial enthalten kann, ist in einem sehr steilen Winkel zwischen 71° und 81° während des Kraterbildungsprozesses ausgeworfen worden. Der übrige Teil des Projektils lag nach dem Experiment als mm-große, unregelmäßig geformte bzw. als Schüssel-förmige Fragmente vor; diese bestehen überwiegend aus Projektilmaterial (Vgl. Fig. 5).

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Fig. 4 Ejektamasse der verschiedenen Ejektatypen als Funktion des Auswurfwinkels (Sandstein Target und Eisenmeteorit Projektil).

 

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Fig. 5 Schüsselförmiges Projektilfragment (links: Vorderseite, rechts: Rückseite), entstanden bei niedrigen Geschwindigkeiten (ca. 2.5 km/s); Projektilfragmente (rechts) entstanden bei höheren Geschwindigkeiten (ca. 4.5 km/s).

Identifikation von Projektilmaterial innerhalb der Ejekta und Targetlithologie

Das Aufspüren von Projektilmaterial in der hoch-geschockten Ejekta wurde überwiegend mit einer hoch-auflösenden Elektronenstrahl Mikrosonde (am MfN, Fig. 6) durchgeführt. Somit konnten kleinste Projektilkügelchen und Targetschmelzen erfasst werden.

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Fig. 6 Mikrosonden-Messungen am Museum für Naturkunde Berlin (Doktorand Matthias Ebert).

Impakt-induzierte Phänomene und Arten der Projektil-Target Mischungen

Diese Studie konzentriert sich auf Projektil-Target Interaktionen innerhalb der hoch-geschockten Ejektafragmente. Diese zeigen Schock-metamorphe Phänomene wie planare Deformationslamellen in Quarz (PDF), Bildung von diaplektischen Glas, Teilaufschmelzen des Targets sowie des Projektils. Projektil- und Targteschmelzen wurden mechanisch und chemisch miteinander vermischt (Fig. 7).

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Fig 7. Schock-metamorphe Phänomene des Sandsteins und geschmolzene Projektilkügelchen; BSE Bild (Ebert et al. 2012).

Erste TEM Untersuchungen ergaben einen detaillierteren Blick auf die Heterogenität des geschockten Targets. Dazu zählen nm-große Projektilkügelchen und Unmischbarkeiten von winzigen Fe-reichen und Si-reichen Schmelzen (Fig. 8). Eines der TEM Profile zeigt den Übergang der verschieden Schock-Stufen: Quarz mit PDF, silikatischen Glasrand, Projektil-führenden Sandsteinschmelze (xy-Profil in Fig. 8A).

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Fig. 8 (A) BSE Bild eines hoch-geschockten Ejektafragmentes. Die gelbe Linie markiert die Position der herauspräparierten TEM Folie. (B) HAADF Bild der TEM Folie (x-y Profil in 8A) zeigt typische Texturen, Komponenten und Schock-Phänomene. (C) TEM Hellfeld-Bild mit Vergrößerung der Fig. 8B. Die Sandsteinschmelze ist eine Emulsion aus mindestens 3 nicht-mischbaren Schmelzen: 2 silikatische Schmelzen (Si-reich und Fe-reich) und metallische Projektilkügelchen. Die Projektilkügelchen können wenige Nanometer groß sein. (Fig. 8C).

Inter-element Fraktionierung während der Target-Projektil Mischung

Campo del Cielo Meteorit und Sandstein Target

Während des hoch-dynamischen Impakt Prozesses wurde Projektilmaterial als kleine geschmolzen Projektilkügelchen innerhalb der Sandsteinschmelze verteilt. In den hoch-geschockten Ejektafragmenten  liegen somit zwei nicht-mischbare Schmelze nebeneinander vor. Die Projektilkügelchen sind angereichert an Ni und Co, bzw. verarmt an Fe - im Vergleich zum Campo del Cielo Meteorit (Fig. 9).

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Figure 9. Fe/Ni und Fe/Co Verhältnisse für verschiedene Phase nach dem Impakt. Die gebogene Linie repräsentiert die Mischungslinie zwischen ungeschocktem Kamazit und Rhabdit.

Die Verarmung des Eisens in den Projektilkügelchen ist verbunden mit einer Anreicherung an Fe, und zu einem geringen Anteil auch an den siderophilen Elementen, in der Sandsteinschmelze und in den geschockten Quarzen. Das durchschnittliche Fe/Ni der Quarze mit PDF und der silikatischen Gläser spiegelt das Fe/Ni-Verhältnis des Projektils wieder (Ebert et al. 2012). Hierbei gehen wir von einem alternativen Anreicherungsprozess, möglicherweise durch Kondensation von Projektildampf, aus. Dennoch sind weitere Untersuchungen nötig um eine mögliche chemische Kontamination der Quarze auszuschließen.

In den Laserexperimenten (siehe letztes Kapitel) konnten wir eine vergleichbare Anreicherung an Fe in der Sandsteinschmelze beobachten. Ein Vergleich zwischen einer puren Sandsteinschmelze ohne Projektilkontamination (gelbes Feld Fig. 10) verdeutlicht die signifikante Anreicherung an meteorischem Fe in den Hochgeschwindigkeits- und Laserexperimenten.

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Fig. 10 Fe vs. Si für verschiedene Phasen der hoch-geschockten Ejektafragmente. Die Fe Verarmung in den Projektilkügelchen ist an eine Fe Anreicherung in der Sandsteinschmelze und den geschockten Quarzen gekoppelt. Die gelben und grünen Felder repräsentieren Daten aus Laser-induzierten Schmelzexperimenten; (gelb) Experiment ohne Projektil, (grün) Experiment mit Projektil. D.L. = Nachweisgrenze.

D290-1 Stahl und Sandstein Target

Während der Interaktion von Projektil und Target reichern sich Cr, V und Fe bevorzugt in der Sandsteinschmelze an (vgl. Fig. 11 und 12). Diese Anreicherung ist sogar noch deutlicher bei den Laserexperimenten (Fig. 11; green field), was möglicherweise an den höheren Temperaturen bei den Laserexperimenten liegt. Aus dem Mikrosonden Elementmapping in Fig. 12 geht hervor, dass fast das ganze Cr und V aus dem Projektilkügelchen in die Sandsteinschmelze verteilt wurde. Aufgrund des siderophilen Charakters von Mo, W und Co verbleiben diese Elemente in den Projektilkügelchen (Fig. 12).

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Fig. 11 Fe vs. Cr für verschiedene Phasen der hoch-geschockten Ejektafragmente. (Mikrosonden Daten).  Das grüne Feld repräsentiert Daten aus einem Laserexperiment; Mischung aus Stahl- und Sandstein Schmelzen.

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Fig. 12 Mikrosonden Elementmapping für verschiedene Elemente eines hoch-geschockten Ejektafragments mit geschocktem Quarz (BSE- dunkelgrau), Sandsteinschmelze (hellgrau) und Projektilkügelchen (weiße Kügelchen des D290-1 Stahls); Weißer Pfeil weist auf eine Al-reiche Sandsteinschmelze die signifikant an „meteoritischem“ (lithophilen) Elementen Cr und V angereichert ist. Die siderophilen Elemente (Co, W, Mo) verbleiben hingegen in den Projektilkügelchen.

P-T Bedingungen während des Impakts

Schmelzen bzw. Verdampfen des Projektils benötigt weitaus höhere Temperaturen als unsere Berechnungen bei einem maximalen Druck (~55 GPa) ergeben würden. Wir gehen von drei Mechanismen aus die zu höheren Temperaturen führen: 1) Reibung und Deformation (plastische Arbeit) des Projektils, 2) effektiverer Transfer der kinetischen Energie im porösen Material (im Fall des Sandsteins), einschließlich lokaler Druckanstiege aufgrund von Porenkollaps, und 3) Wärmetransfer durch Schock-komprimierte Luft während des Projektilfluges (Prä-Impakt). Der Prozess des Porenkollaps wird weiterführend in den Resultaten unserer Kollegen (Projekt 5, Projekt 7) dargestellt.

Einfluss der experimentellen Bedingungen auf Projektil-relevante Prozesse

Eine systematische Beziehung zwischen Impaktenergie (Geschwindigkeit und/oder Projektilmasse) und der relativen Verteilung der Projektilrelikte konnte bislang nicht beobachtet werden. Höheren Geschwindigkeiten führen im Rahmen unserer experimentellen Bedingungen zu einer stärkeren Fragmentierung des Projektils (Kenkmann et al. 2012). Einen Einfluss der Impaktenergie bzw. der Wassersättigung des Targets auf Inter-element Fraktionierungsvorgänge konnte nicht ermittelt werden. Dennoch führt die Wassersättigung der Targets zu einer erhöhten Projektilfragmentierung.

Neuste MEMIN Experimente wurden u.a. mit Quarzit Targets (Porosität ~ 0%) durchgeführt. Erste REM Untersuchungen an hoch-geschocktem Ejektamaterial lässen verstärkte Inter-element Fraktionierungsvorgänge vermuten; verglichen mit den Sandsteinexperimenten (~ 23 % Porosität). Cr und V des Projektils sind deutlicher in der Quarzitschmelze angereichert als in der Sandsteinschmelze, z.B. enthält die Quarzitschmelze bis zu 10 Gew. % Cr2O3.

Laser-induzierte Schmelzexperimente

Zusätzlich zu den Hochgeschwindigkeits Impaktexperimenten wurden sogenannte Laser-induzierte Schmelzexperimente durchgeführt. Diese dienen dazu eine bessere Kontrolle über das Schmelz- und Mischverhalten von Projektil und Target zu erhalten. Das war vor allem wichtig um Informationen über natürliche Heterogenitäten der Target Schmelze zu erhalten.

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Fig. 13 Laser-Schweißanlage der TU Berlin (YAG-Laser Trumpf Haas HL 3006D).

 

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Fig. 14 (A) Aufbau der Laserexperimente; (B) Aufsicht des Aufbaus nach dem Experiment mit deutlicher Laserschmelzspuren; (C) Anschliff des Bereiches C (Fig. 14 B) zeigt verschiedene Schmelzgrade: 1=nicht-geschmolzener Sandstein; 2=teil-geschmolzener Sandstein; 3=komplett geschmolzener Sandstein; 4=Projektilschmelze.

Die Laserexperimente zeigen Schmelztexturen die man mit den Texturen der geschockten Targets (HVE) vergleichen kann: teilweise- bis komplett  geschmolzen Quarze sowie teilweise- bis komplett geschmolzener Sandstein (Fig. 15A, B). Das Projektilmaterial tritt vor allem als Schlieren in der Sandsteinschmelze auf (Fig. 15B).

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Fig. 15 (A) Schmelztexturen erzeugt durch Laser-induzierte Schmelzexperimente (purer Sandstein); (B) Mischung aus Projektil und Targetschmelzen (Laserexperiment: Sandstein und Stahl).

 

Matthias Ebert

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