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Kraterbildung geklärt

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 18.11.2016 11:59

Mindestens drei Mal ist die Erde in den vergangenen 2,5 Milliarden Jahren von wirklich großen Asteroiden getroffen worden - und vermutlich war es für den Planeten und die Lebewesen an seiner Oberfläche jedes Mal eine Katastrophe von globalen Ausmaßen. Am Beispiel des Chicxulub vor der Nordküste der mexikanischen Halbinsel Yucatán haben Wissenschaftler des Internationalen Meerestiefbohrprogramm IODP jetzt klären können, wie ein solcher Einschlag abläuft. In der aktuellen „Science“ haben sie ihre Ergebnisse veröffentlicht.

Ansicht des Bohrkern, der aus dem Chicxulub-Krater gewonnen wurde. (Bild: DSmith@ECORD)„Es ist ein ungeheuer dynamischer Prozess, der die gesamte Kruste deformiert“, erklärt Sean Gulick, Professor an der Universität von Texas in Austin und einer der beiden Leiter des IODP-Projekte, das den Chicxulub-Krater erforschte. In den ersten 90 Sekunden schlug der vermutlich rund 15 Kilometer große Asteroid ein etwa 100 Kilometer breites Loch in die Erdoberfläche, das mit 30 Kilometer Tiefe praktisch durch die gesamte Erdkruste reichte.

„Im weiteren Verlauf der Kraterbildung kollabierten die steilen Kraterwände dieses Loches und große Gesteinsmassen beschleunigten quasi lawinenartig zum Zentrum“, berichtet Team-Mitglied Ulrich Riller, Professor für Geologie an der Universität Hamburg, „dadurch wuchs der Krater in die Breite, während sich zur selben Zeit der Kraterboden hob.“ Ungefähr zehn Minuten, nachdem der außerirdische Brocken die Erdoberfläche getroffen hatte, hatte der Chicxulub-Krater mehr oder weniger seine heutigen Ausmaße angenommen: Etwa 180 Kilometer im Durchmesser und einen Kilometer tief mit einem zentralen 500 bis 600 Meter hohen Ring, dem sogenannten peak ring.

Blick auf das Bohrgestänge an Bord des Hubschiffes "Myrtel". (Bild: ECORD/Marum/J. Lofi)Die neuen Erkenntnisse über den Ablauf des Einschlags gehören zu den ersten Ergebnissen des vom europäischen IODP-Arm organisierten Chicxulub-Projektes. Mit einem eigens gecharterten Hubschiff bohrten Wissenschaftler im Mai 2016 in den innersten Ring des Kraters. Heutzutage ist dieser von dicken Sedimentschichten bedeckt und liegt zur Hälfte an Land oder in nur 20 Meter Wassertiefe. „Er ist der einzige große Krater, an dem wir die Dynamik eines Mega-Einschlags untersuchen können“, begründet Riller den Aufwand.

Unter den Sedimenten des Golfs von Mexiko ist die Struktur, die der Asteroid vor 65 Millionen Jahren zurückließ, noch weitgehend intakt. Die beiden anderen Großeinschläge auf der Erde im südafrikanischen Vredefort und im kanadischen Sudbury sind zwei Milliarden Jahre alt und deshalb zu erodiert, um noch viel zu erfahren. Die Krater auf Mond, Mars, Venus oder Merkur sind zwar besser erhalten, Geowissenschaftler von der Erde können sie aber nur aus der Ferne erkunden. Der Chicxulub ist daher die einzige Gelegenheit, das Einschlagsgestein selbst in die Hand zu bekommen und so die Kraterbildung genau zu studieren.

Blick auf ein Stück Granit aus einem Bohrkern. (Bild: ECORD/IODP)Durch die direkte Untersuchung der Impaktgesteine konnten die IODP-Forscher die verschiedenen Theorien über die Kraterbildung bei sehr großen Einschlägen testen. Das sogenannte dynamische Modell setzte sich durch, denn es besagt, dass der peak ring der Überrest einer Gesteinsfontäne aus zerbrochenem und geschmolzenem Material der unteren Kruste ist. Die Fontäne entsteht, weil die immens steilen Wände des tiefreichenden Lochs kollabieren, das der Asteroid beim Impakt schlug. Das Material stürzt von allen Seiten ins Zentrum der Hohlform zurück, wo seine Bewegungsenergie nach oben gelenkt wird. Natürlich zwingt die irdische Schwerkraft diese Fontäne irgendwann wieder zurück zur Oberfläche.

Wie bei einer brechenden Welle stürzt das Gestein in einem Schwall zu Boden und trifft dort auf eine ins Kraterzentrum laufende Gesteinswelle. Denn inzwischen hat im umgebenden Krustengestein die Gegenbewegung eingesetzt, die den Krater größer und gleichzeitig flacher werden lässt: Das Material rutscht dabei in Richtung Zentrum. „Und genau an der Stelle, wo sich diese beiden Gesteinswellen quasi getroffen haben, haben wir also heute den peak ring des Chicxulub-Impaktkraters“, sagt Ulrich Riller. Hingegen besagt die Konkurrenzhypothese, dass die oberen Schichten der Erdkruste die Hauptenergie des Einschlagskörpers abfangen und die konzentrischen Ringe im Krater ausschließlich aus höher liegendem Krustenmaterial bestehen.


Computergestützte Ansicht des Schrödingerkraters auf der erdabgewandten Seite des Mondes. (Bild: Nasa/GSFC )Nach den Befunden in den bis 1334,7 Meter tief in den Meeresboden reichenden Bohrkernen hat der Asteroid in der Erdkruste buchstäblich das Unterste zuoberst gekehrt. „Wir haben Granite der unteren Kruste aus 15 Kilometer Tiefe, die durch den Einschlag in Stücke zerbarsten“, erklärt Joanna Morgan, Geologieprofessorin am Imperial College in London, die das Projekt zusammen mit Sean Gulick leitet, „das Material wurde während des Einschlags bis zu 20 Kilometer in der Vertikalen und in der Horizontalen bewegt.“ Eine derart tiefgründige Zerrüttung scheint auch die Ursache für die verwirrenden Daten zu sein, die die geophysikalische Vermessung des Chicxulub-Kraters in der Vergangenheit geliefert hat.

Die seismischen Wellen, mit denen man den Untergrund vor Yucatán durchleuchtete, waren im Bereich des peak rings viel langsamer als man es für dichtes Gestein aus den Tiefen der Erdkruste erwartet hätte. Der Blick in die Bohrkerne offenbarte warum: „Die Gesteine sind sehr, sehr stark zerkleinert und auch sehr brüchig“, erklärt Ulrich Riller. Bruchstücke der ursprünglichen granitischen Kruste waren in erkaltete Gesteinsschmelzen gebettet oder zu sogenannten Brekzien zusammengebacken. „Der vergrößerte Porenraum in den Gesteinen hat zu diesen seismischen Geschwindigkeiten geführt“, sagt der Strukturgeologe. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich ihre Ergebnisse auch auf die anderen Großkrater  auf der Erde und den anderen terrestrischen Himmelskörpern des Sonnensystems anwenden lassen.

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