Shatter Cones in Hypervelocity Impact Experiments: Structure, Formation and Comparison to Natural Impact Craters
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Shatter cones in hypervelocity impact experiments: Structure, formation and comparison to natural impact craters DISSERTATION Zur Erlangung des akademischen Grades “doctor rerum naturalium“ (Dr. rer. nat.) Der Fakultät für Umwelt und natürliche Ressourcen Der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Brsg. vorgelegt von Jakob Wilk Geb. in Berlin, Pankow Freiburg im Breisgau 2017 Dekan: Prof. Dr. Tim Freytag Erstbetreuer/Referent: Prof. Dr. Thomas Kenkmann Korreferent: Prof. Dr. Alex Deutsch Zweitbetreuer: Prof. Dr. Stefan Hergarten Tag der Disputation: ABSTRACT Impact processes have dominated the formation and development of planetary bodies in our solar system. The study of impact crater formation provides deeper knowledge of early Earth’s history and enables us to understand a surface process profoundly shaping the surface of most rocky planetary bodies. The highly dynamic process of impact cratering causes a series of characteristic effects in the targeted rocks, which are referred to as shock metamorphic effects. These shock effects provide a valuable tool to analyze impact craters and their formation. Shatter cones are diagnostic for shock metamorphism. They are the only macroscopic effect caused by shock, thus, being unambiguously identifiable in the field, provide a valuable tool to find and verify impact structures. Over the last decades, hypervelocity impact experiments and shock recovery experiments fundamentally enhanced our understanding of impact cratering, by controlled laboratory conditions. With this technique, e.g., microscopic effects were calibrated to corresponding shock pressures, or the effect of target properties on the cratering process was extensively studied. However, in only few experiments shatter cones were found and analyzed. Thus, the conditions of shatter cone formation remained unclear. Physical boundary conditions, e.g., pressure-temperature conditions or formation accompanying strain rates are unknown, as well as the timing of shatter cone formation is part of an ongoing scientific debate. By chance several shatter cone fragments where found in the MEMIN (Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Research Network) experiments, enabling us to systematically study the shatter cone formation. The scope of this thesis is to narrow down the physical boundary conditions of shatter cone formation, and to develop a model for their formation based on the macro- and microstructural investigations. Therefore, the MEMIN experiments were systematically analyzed to delimit the conditions under which shatter cones do or do not form. We recovered in total 24 shatter cone fragments from the ejecta of 37 MEMIN experiments. In addition, several craters showed shatter cone-like striae in the craters sub-surface. Shatter cones where recovered from nearly all target lithologies and experiments with different projectile types. We found initial impact velocity to be the driving factor when it comes to whether or not shatter cones will develop. On the basis of the microstructural analysis and iSale simulations, we determined pressure-temperature conditions to be 2- 5 GPa and in the excess of 2000°C during shatter cone formation. In addition, shear movement along the shatter cone surface has been quantified and prominent extensional features were documented. Surface parameters (e.g., apices, bifurcation, curvature, and fracture roughness) were analyzed with 3D data sets and showed good correlation of the experimentally produced shatter cones with natural samples. Also, the morphological data was used to derive a phenomenological model of shatter cone formation. As a synthesis of the experimental work we can state, that shatter cones must be formed early in the cratering process under shock compression, and that shatter cone surfaces develop as mixed-mode fracture under extremely high strain rates. 1 ZUSAMMENFASSUNG Impaktprozesse sind grundlegend die Entstehung und Entwicklung planetarer Körper in unserem Sonnensystem. Die Bildung von Meteoritenkratern zu erforschen, heißt einen Einblick in die frühe Erdgeschichte zu bekommen und einen Prozess zu verstehen, der aktiv die meisten festen planetaren Oberflächen bestimmt. Meteoriteneinschläge erzeugen eine Reihe von charakteristischen Eigenschaften im Gestein, die sogenannte Stoßwellenmetamorphose, im Zuge des hoch dynamischen Prozesses. Diese Effekte, helfen Meteoritenkrater zu erkennen und ein besseres Prozessverständnis zu entwickeln. Von diesen charakteristischen Merkmalen sind Strahlenkegel (shatter cones) der einzig makroskopische Effekt der Stoßwellenmetamorphose. Strahlenkegel sind als diagnostisches Mittel Meteoritenkrateridentifizierung anerkannt und können durch ihre sehr markanten Strukturen gut bereits im Gelände erkannt werden. Unter kontrollierten Laborbedingungen haben Hochgeschwindigkeitseinschlagsexperimente und Stoß- wellenrückgewinnungsexperimente in den letzten Jahrzenten das Verständnis von Krater- bildungsmechanismen grundlegend Verbessert. Entstehungsregime von Mikroskopischen Stoßwellen- Effekten wurden kalibriert, oder zum Bespiel der Einfluss von Porosität oder Lagenbau auf die Kraterbildung untersucht. Strahlenkegel hingegen, sind in Experimenten – auch auf Grund ihrer Häufigkeit - kaum untersucht worden. So kommt es, dass viele Aspekte der Entstehung von Strahlenkegeln immer noch unklar sind. Physikalische Rahmenbedingungen, wie Verformungsraten, Bildungsdrücke oder - temperaturen sind unklar, ebenso ist der Zeitpunkt zur Ausbildung der Strahlenkegel strittig. Die MEMIN (Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Research Network) Experimente gaben die Möglichkeit die Entstehung von Strahlenkegeln systematisch zu erforschen. Ziel dieser experimentellen Arbeit ist es, physikalische Rahmenparameter einzugrenzen und ein Modell zur Stahlenkegelbildung auf dieser Grundlage zu entwickeln. Hierfür sind eine Reihe Makro- und Mikrostrukturelle Analysen an den MEMIN Experimenten durchgeführt und mit natürlich gebildeten Strahlenkegeln verglichen worden. Aus dem Untersuchten Ejecta-Material von 37 MEMIN Experimenten wurden 24 Strahlenkegel-Fragmente geborgen. Darüber hinaus wurden Krateruntergründe mehrerer MEMIN Kampagnen untersucht und am Kraterboden Strahlenkegel-typische Striationen (striae) gefunden. Die Strahlenkegel wurden in fast allen Lithologien dokumentiert und es zeigte sich, dass Impakt-Geschwindigkeit der wichtigste Faktor ist um die Strahlenkegelnildung zu begünstigen. Auf Grundlage der Mikrostrukturellen Untersuchungen und iSale Modellierungen konnten die Bildungsbedingungen der gefundenen Fragmente auf 2-5 GPa und hohe Prozesstemperaturen von >2000° C abgegrenzt werden. Zudem wurden Scher- und Extensionsprozesse an den Bruchflächen dokumentiert. Oberflächeneigenschaften (Apizes, Bifurkation, Kurvatur, Rauigkeit der Bruchoberfläche) wurden mit Hilfe gewonnener 3D Daten analysiert und zeigen zum einen die Übereinstimmung der experimentellen und natürlichen Strahlenkegel, und halfen des Weiteren ein phänomenologisches Modell zu entwickeln. Aus der vorliegenden Arbeit geht hervor, dass Strahlenkegel bereit früh im Kraterbildungsprozess angelegt werden und die Bruchbildung durch Risswachstum unter Mixed-mode-Beanspruchung und extrem hohe Verformungsraten bestimmt wird. 2 STATEMENT OF THE CONTRIBUTIONS This thesis is structured as cumulative work and is comprised of the published peer-reviewed papers, and one submitted manuscripts. The PhD candidate is first author of two papers, and second author of one accepted paper. Minor contributions to publication in the form of data acquisition and single paragraphs had been made within MEMIN and in the context of crater research. This publication has been added in the appendix. The Introductory chapter has been written for this Thesis, with the intension to make an unfamiliar reader able to follow the individual publications, without any further background information being necessary. The papers are used as the chapter 2.-4. And citations are listed at the end of each chapter. The papers of this thesis are listed below: Wilk, J., and Kenkmann, T. (2016). Formation of shatter cones in MEMIN impact experiments. Meteoritics and Planetary Science 51 (8): 1477-1496. doi: 10.1111/maps.12682. Wilk., J., Hamann, C., Fazio, A., Luther, R., Hecht, L., Langenhorst, F., and Kenkmann T. (submitted). Melt formation shatter cone recovered from the MEMIN impact experiments in sandstone. Meteoritics and Planetary Science. Kenkmann T., Hergarten, S., Kuhn, T., and Wilk, J. (2016). Formation of shatter cones by symmetric fracture bifurcation: Phenomenological modeling and validation. Meteoritics and Planetary Science 51 (8): 1519-1533. doi: 10.1111/maps.12677. Note that the second paper (chapter 3) was written chronologically as the last manuscript. It was rearranged, because the developed model in chapter 4 in this thesis represents a conceptual idea grounded on observation made to a certain extend as shown in the previous chapters. The experimental work was conducted at the Fraunhofer Ernst-Mach-Institute (EMI), Freiburg, Germany by Tobias Hoerth, Christoph Michalski and Max Gulde together with EMI technicians and the MEMIN team. Herbert Ickler (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, ALU) prepared recovered rock samples and blocks. Surface analysis of the shatter cone samples was made with the WLI and SEM equipment available at the ALU. The MfN (Museum für Naturkunde, Berlin) offered a valuable collaboration by using their SEM for chemical mappings and their PhD Student Christopher Hamann, who made