Geochemical interaction between projectile and target in hypervelocity cratering experiments

Abstract

Geochemical projectile-target interaction was studied by means of 6 hypervelocity impact experiments and 4 laser-induced melting experiments, using sandstone and quartzite targets and projectiles (steel and iron meteorite) rich in siderophile (Ni, Co, Mo, W) and some lithophile tracer elements (Cr, V). The high chemical contrast between target and projectile facilitated tracing of very small projectile material within the target. During the cratering process ejecta fragments were formed showing shock- metamorphic features such as planar deformation features (PDF) in quartz, the onset to complete transformation of quartz to lechatelierite, partial melting of the sandstone (quartzite), and partially molten projectile, mixed mechanically and chemically with target melts. These highly shocked projectile-rich fragments are mainly ejected in a steep angle (~70° - ~80°) compared to the impact angle, which is in accordance with previous impact experiments. The laser experiments provided an additional control on the melting behavior and chemical mixing of projectile and target materials. This was especially important to constrain the heterogeneity of projectile and target melts prior to their mixing. During mixing of projectile and target melts, whether impact or laser experiments, Fe, Cr and V of the projectiles are preferentially partitioned into target melts compared to Ni, Co, Mo and W, yielding inter-element ratios in the sandstone or quartzite melt which completely differ from the element ratios of the projectiles. Due to the loss of the more lithophile elements (e.g., Cr, V) the projectile droplets are enriched in the siderophile elements (e.g., Co, Ni, Mo, W). This inter-element fractionation results from differences in the reactivity of the respective elements with oxygen during incorporation of metal melt into silicate melt. Data from Meteor Crater (Arizona, USA) and the Wabar craters (Saudi Arabia) show trends similar to those observed in the mesoscale laboratory craters of the MEMIN project. Melting of projectile requires temperatures higher than expected from the calculation of maximum shock pressures. Three mechanisms for enhanced thermal input are suggested: 1) friction and deformation (i.e., plastic work) of the projectile, 2) more effective transfer of kinetic energy to porous material (in case of the sandstone) including the local increase of shock pressure due to pore collapse, and 3) heat transfer from shock compressed air during projectile flight (projectile pre-heating). The results indicate that the principles of projectile-target interaction and associated fractionation do not depend on impact energies (at least for the selected experimental conditions) and water saturation of the target. Partitioning of the projectile tracer elements is intensified in experiments with non-porous quartzite compared to the porous sandstone target. This is mainly the result of higher shock pressure and the related higher shock and post-shock temperatures including a longer time-span with physical conditions sufficient to partition of elements between projectile and target melt. The intensified partitioning processes in impact experiments with quartzite as target material led to the formation of an Fe enrichment zone surrounding projectile droplets. During quenching of the ejecta the Fe enrichment zone experiences a phase separation into an Fe-rich liquid (Lfe) and a Si-rich liquid (Lsi). This liquid immiscibility occurs between melts with strong chemical differences and forms conspicuous emulsions textures. The incorporation of steel and Fe meteorite matter into sandstone melt of the laser experiments is also accompanied by phase separation of iron rich and silica rich melts. In addition, this feature was recently described in the impact glass of the Wabar crater.

Projektilfragmente sind nur unter speziellen Bedingungen nach einem Hochgeschwindigkeitseinschlag erhalten. Meist findet man das Projektil als chemische Spuren im Kraterboden oder im Fernauswurf (Ejekta). Die physikalisch-chemischen Bedingungen bei der Projektilplatznahme, der Mischung zwischen Projektil und Target und die Ursachen für dabei auftretende Inter- Elementfraktionierungen sind bislang kaum bekannt. Weiterhin gibt es nur wenige Annahmen inwieweit Impaktenergie, sowie Wassersättigung und Porosität des Targets, die Verteilung des Projektils kontrollieren. Die vorliegende experimentelle Studie befasst sich, als Teil des MEMIN Forschungsprojektes (FOR 887), mit der geochemische Interaktion zwischen Projektil und Target. Hierfür wurden, unter Verwendung von Quarz-reichen Targets (Sandstein und Quarzit) und Eisenmeteorit- bzw. Stahlprojektilen (reich an siderophilen - Co, Ni, Mo,W und lithophilen - Cr, V Elementen), verschiedene Hochgeschwindigkeits- Impaktexperimente und sogenannte Laserschmelzexperimente durchgeführt. Die extremen chemischen Unterschiede zwischen Target und Projektil ermöglichten hierbei zum einen eine genaue Identifikation kleinster Projektil-Partikel und zum anderen die Bestimmung relativer Projektil-/Target- Anteile in Mischungen. Während des Kraterbildungsprozesses bildeten sich Ejektafragmente die Schock-metamorphe Phänomene, wie planare Deformationslamellen in Quarz (PDF), Bildung von Lechetalierite (Quartzglas) und Teilaufschmelzen des Targets sowie des Projektils, aufweisen. Projektil- und Targetschmelzen wurden hierbei mechanisch und chemisch miteinander vermischt. Diese hochgeschockte Ejekta, die ca. 10-30 % Projektilmaterial (überwiegend Schmelzkügelchen) enthält, wurde, bezogen auf den Einschlagswinkel, in einem sehr steilen Winkel zwischen ~70° und ~80° ausgeworfen. Mit Hilfe der Laserexperimente konnten mehr Details über das Schmelz- und Mischverhalten von Projektil und Target in Erfahrung gebracht werden. Man erhielt vor allem einen genaueren Einblick in die chemische Heterogenität unkontaminierter Targetschmelzen. Sowohl in den Impaktexperimenten als auch in den Laserexperimenten ließ sich zeigen, dass während des Vermischens von Projektil- und Targetschmelzen Elementverteilungsvorgänge stattfinden. Fe, Cr, und V fraktionieren bevorzugt; Co, Ni, Mo und W zu einem deutlich geringeren Maße in die Targetschmelzen. Die Elementverhältnisse der Projektiltracer innerhalb der Targetschmelzen unterscheiden sich somit extrem von den jeweiligen Verhältnissen des Projektils. Diese Fraktionierung ist auf den lithophilen bzw. siderophilen Charakter der Elemente zurückzuführen. Fe, Cr und V bilden bevorzugt Oxide in den silikatischen Schmelzen. Co, Ni, Mo und W besitzen im Vergleich nur eine sehr geringe Reaktivität mit Sauerstoff. Dieses unterschiedliche Elementverhalten wurde bereits in natürlichen Impaktgesteinen des Meteor- Kraters (Arizona, USA) und der Wabar-Krater (Saudi Arabien) beobachtet. Die aus den berechneten Spitzendrücken der Impaktexperimente abgeleiteten Temperaturen sind generell zu niedrig um die verwendeten Projektilmaterialen aufzuschmelzen. Um dennoch die Vielzahl vorhandener Projektilkügelchen zu erklären, wurden folgende drei Mechanismes angenommen, die für einen Temperaturanstieg verantwortlich sein können: (i) Reibung und Deformation (plastische Arbeit), (ii) die Bildung von lokalen Druckspitzen durch den Kollaps von Poren im Sandstein, (iii) Temperaturansteig im Frontbereich des Projektils als Folge starker Kompression der verbliebenen Atmosphäre. Aus den Parameterstudien der verschiedenen Impaktexperimente geht hervor, dass die Projektil-Target Interaktionen und die gekoppelten Elementfraktionierungen weder von der Impaktenergie (Variation der Projektilgröße bei gleicher Geschwindigkeit) noch vom Wassersättigungsgrad des Targets beeinflusst werden. Hingegen zeigt sich ein deutlicher Einfluss der Porosität. In den Quarzitexperimenten (0 % Porosität) fanden verstärkte Fraktionierungsvorgänge statt, verglichen mit den Ergebnissen aus den Experimenten mit Sandstein (~23 % Porosität). Grund dafür ist ein höherer Stoßwellen-Druck und daraus resultieriende höhere Post-Schock Temperaturen, die wiederum zu einer längeren Reaktionzeit zwischen geschmolzenem Projektil und Target führen. Die Intensivierung der Fraktionierung innerhalb der Quarzitejekta wurde anhand von Fe-Anreicherungszonen bestimmt, die sich als markanter Rand um Projektilkügelchen ausbildeten. Während der plötzlichen Abkühlung der Ejekta kam es zu einer Phasentrennung innerhalb der Fe-Anreicherungszone. Aufgrund von extremen chemischen Unterschieden bildeten sich Emulsionstexturen, die durch eine Fereiche (Lfe) und Si-reiche (Lsi) Schmelze definiert sind. Dieses Phänomen tritt ebenfalls bei der Vermischung von geschmolzenem Stahl bzw. geschmolzenem Fe-Meteorit mit Sandsteinschmelze innerhalb der Laserexperimente auf und konnte kürzlich bei der Analyse desWabar-Impaktglases detailliert beschrieben werden. Die vorliegende Disseration zeigt, dass kleinmaßstäbige geochemische Prozesse wie (i) Anreicherung von Projektilelementen in Targetschmelzen, (ii) die damit gekoppelte Phasentrennung in Lfe und Lsi und (iii) die signifikante Veränderung der Verhältnisse der Projektilelemente innerhalb der Targetschmelze, gängige Prozesse sind, die während der Mischungsvorgänge zwischen Projektil- und Targetschmelze in der Natur stattfinden.