Meteoriteneinschlag im Labor

Ein deutsch-amerikanisches Forschungs­team hat Meteoriten­einschläge im Labor simuliert und die resultierenden Struktur­änderungen in zwei weit verbreiteten Feldspat-Mineralien live mit Hilfe von Röntgenlicht verfolgt. Die Ergebnisse der Experimente bei DESY und am Argonne National Laboratory in den USA zeigen, dass diese Änderungen der atomaren Struktur je nach Kompressions­rate bei sehr unterschiedlichem Druck auftreten können. Sie haben eine Bedeutung für die Rekon­struktion von Meteoriten­einschlägen anhand von Einschlag­kratern auf der Erde und auf anderen erd­ähnlichen Planeten.

Meteoriten­einschläge spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung der Erde und anderer Himmels­körper in unserem Sonnensystem. Einschlag­krater können auch nach Hunderten bis Millionen Jahren noch Rückschlüsse auf Größe und Geschwin­digkeit des jeweiligen Meteoriten sowie auf Druck und Temperatur während seines Einschlags erlauben. Forscher untersuchen dazu per Röntgen­kristallo­graphie Änderungen in der inneren Struktur des Krater­materials und vergleichen die Beobach­tungen mit Ergebnissen von Hochdruck­experimenten mit demselben Material im Labor. Auf diese Weise hat sich in den vergangenen Jahrzehnten ein Klassi­fizierungs­system etabliert, in dem unter anderem die in der planetaren Kruste weit verbreiteten Feldspat-Mineralien Albit, Anorthit und ihre Mischtypen der Plagioklas-Serie untersucht werden. Dabei dient insbe­sondere die Amorphi­sierung als Indikator, also der Verlust der geordneten Kristall­struktur. Allerdings hat sich gezeigt, dass diese Amorphi­sierung bei ganz unter­schiedlichem Druck stattfinden kann, je nachdem, wie schnell das Material komprimiert wird.

„Diese Differenzen zeigen die großen Lücken, die noch in unserem Verständnis von kompressions­abhängigen Prozessen in Mineralien klaffen“, erläutert Forschungs­leiter Lars Ehm von der Stony-Brook-Universität in New York und dem Brook­haven National Laboratory. Dieser Wissensmangel hat weit­reichende Konse­quenzen für die Analyse von Meteoriten­kratern, aus der sich etwa Größe, Geschwin­digkeit und anderen Eigen­schaften des auslösenden Meteoriten nicht so genau ableiten lässt wie gewünscht. Um diese Wissens­lücken weiter zu schließen, haben die Forscher um Ehm jetzt Feldspat-Proben im Labor unterschiedlich schnell zusammen­gepresst und dabei verfolgt, wann die Amorphi­sierung einsetzt. Dazu spannten sie Mikroproben in dynamische Stempelzellen ein, deren winzige Diamant­stempel sich beispiels­weise mit kleinen Piezo-Aktuatoren rasch, aber kontrolliert zusammen­drücken lassen. Um die Veränderungen der Kristall­struktur live verfolgen zu können, nutzte das Team unter anderem DESYs hochbrillante Röntgen­lichtquelle PETRA III. Dabei kam ein empfind­licher und schneller Spezial­detektor zum Einsatz.

Das charak­teristische Beugungs­muster erlaubt eine atomgenaue Berechnung der inneren Struktur der Probe. Um schnelle Veränderungen beobachten zu können, sind eine kurze Belichtungszeit und ein entsprechend heller Röntgen­strahl nötig. „Dank neuer und sehr leistungs­fähiger Röntgen­quellen wie DESYs PETRA III, der Advanced Photon Source am Argonne National Lab oder dem euro­päischen Röntgenlaser European XFEL sowie großen Fortschritten in der Röntgen­detektor­technik verfügen wir jetzt über die nötigen Werkzeuge, um die atomare Struktur von Materialien während schneller Kompression zu messen“, erläutert Desy-Forscher Hanns-Peter Liermann. Die Proben wurden auf einen Druck von bis zu achtzig Gigapascal zusammengepresst. „In unseren Experimenten haben wir Gasdruck- und Aktuator-gesteuerte Diamant­stempelzellen verwendet, um die Proben schnell zusammenzudrücken, während wir fort­laufend Röntgen­beugungsmuster aufge­zeichnet haben“, sagt Melissa Sims von der Stony-Brook-Universität. „Das hat uns ermöglicht, Änderungen der atomaren Struktur über den gesamten Zyklus der Kompression und Dekom­pression zu verfolgen und nicht nur zum Start und zum Ende des Versuchs wie in früheren, so genannten Recovery-Expe­rimenten.“

Das Team konnte auf diese Weise die Amorphi­sierung von Albit und Anorthit bei verschiedenen Kompressions­raten von einem Zehntel Gigapascal pro Sekunde bis 81 Gigapascal pro Sekunde bestimmen. „Die Ergebnisse zeigen, dass der Übergang zur Amorphi­sierung der Mineralien bei sehr verschiedenen Drücken geschieht, abhängig von der Kompressions­rate“, berichtet Ehm. „Eine höhere Kompressions­rate führt dabei zu einem geringeren Amorphi­sierungsdruck.“ So wurde Albit bei der niedrigsten Kompressions­rate erst bei einem Druck von 31,5 Gigapascal komplett amorph, bei der höchsten Kompressions­rate dagegen schon bei etwa dem halben Druck, 16,5 Gigapascal. „Aus diesem Grund ist die Amorphi­sierung von Plagioklas-Mineralien nicht unbedingt ein eindeu­tiger Standard um die charak­teristischen Bedingungen von Spitzen­druck und -temperatur während eines Meteoriten­einschlags zu ermitteln“, erläutert Ehm. Weitere Unter­suchungen sollen nun das Verhalten dieser Mineralien in noch größerem Detail durchleuchten und klären, ob und wie sich die Einschlag­bedingungen gegen die innere Struktur von Gesteins­materialien eichen lassen.

DESY / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Sims et al.: Pressure-induced amorphization in plagioclase feldspars: A time-resolved powder diffraction study during rapid compression, Earth & Plan. Sci. Lett. 507, 166 (2019); DOI: 10.1016/j.epsl.2018.11.038
• Department of Geosciences, Stony Brook University, Stony Brook
• PETRA III, Deutsches Elektronensynchrotron DESY, Hamburg