The El’gygytgyn impact structure, Siberia: Impactites from a mid-size impact structure in volcanic target rocks

Abstract

The El’gygytgyn crater in Chukotka (Russia) is one of the best-preserved complex impact structures, worldwide. At ca. 3.6 million years ago a projectile of probably chondritic composition hit into an at least several hundred-meter-thick sequence of different, predominantly felsic, volcanic rocks. These belong to the Upper Cretaceous Ochotsk Chukotka Volcanic Belt (OCVB). In addition to the dominant rhyolitic/rhyodacitic ignimbrites, there are also layers of andesitic to basaltic composition. Some time after crater formation (some thousand to fifty thousand years), a lake was established in the impact structure and accumulation of lake sediments started. The El’gygytgyn impact structure is not only a special crater in terms of its lithologies, but it provides with its undisturbed lacustrine sedimentation a great climate archive for the entire Quaternary era. These were also the main reasons for the deep drilling of the structure by the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) in 2009. Of the four drill holes achieved, borehole D1c is the deepest with ~520 m and yielded approximately 200 m of impact-related rocks from the flank of the collapsed central uplift. These rocks have been accurately examined during this thesis work, focusing on the lithostratigraphy, the distribution of shock effects within the drilled sequence, and on the development of suevitic breccias and impact-induced melt. The drilled rocks can be divided into four units. The uppermost 12 meters (316-328 meters below lake floor = mblf) are reworked suevite and contain unshocked to strongly shocked clasts of various volcanic rocks (basalt to rhyolite). Furthermore, in this unit occurs the comparatively largest proportion of impact-generated melt as several centimeter large melt particles or tiny (<1 mm) glass spherules. The fine-grained matrix consists mainly of the same material as the lithic clasts and is enriched with finest- grained ash particles from the collapsed ejecta plume and with clay and fine sand from the post-impact sedimentary phase and the beginning of lake development at El’gygytgyn. The following 63 m (328-391 mblf) polymict breccia are free of lacustrine sediments and can be called suevite due to their content of small impact-generated melt particles, besides shocked mineral and lithic clasts. Into this unit, three meter-sized blocks of mainly unshocked rhyolitic ignimbrite were incorporated, probably during the deposition of suevite. In one of the blocks and in two other clasts of rhyodacitic ignimbrite, shatter cones have been found. Next, in the footwall, an approximately 32 m (391-423 mblf) thick sequence of rhyolitic pyroclastites occurs. Here, several layers of volcanic deposits could be identified. At the top of this unit is a basaltic layer of approximately 1 m thickness that contains many deformed (sheared) minerals as well as the lowermost occurrence of shocked minerals and glass shards, as well as fragments of the overlying suevite. The formation of this thin layer is considered the result of the likely turbulent emplacement of the suevite onto the crater floor, or, alternatively, as a mixed layer related to the modification stage of cratering. It follows a relatively uniform suite of about 94 m (until the end of the hole at ~517 mblf) of welded, rhyolitic/rhyodacitic ignimbrites, which show some lithological peculiarities and deformation. First, at the top, two exotic, mafic blocks with cataclastic grain size reduction and shear deformation effects occur. These blocks are extremely altered and enriched in a variety of trace elements in comparison to all other lithologies. This could reflect an enrichment due to post-impact, hydrothermal alteration. Second, there is a dike of polymict impact breccia in the lower part of this unit. Shock metamorphism in minerals was identified in the dike, but no impact- generated melt particles. Furthermore, it was resolved by geochemical studies that there is not a single ignimbrite, but there are two separate, very similar layers of rhyolitic/rhyodacitic ignimbrite. They are not shock deformed but are brecciated, i.e., they are crisscrossed by a multitude of fissures and cracks that dissect this previously massive rock. This part of the sub-crater basement was obviously strongly “tectonically” affected by the rise and collapse of the central uplift. In summer 2011, it was possible to participate in a Russian-German expedition to the crater structure. During the nearly four-week field campaign, the eastern half of the crater rim was mapped and sampled, in some detail. The petrographic and geochemical results for the collected samples led to the generation of a new geological map of the impact structure, and the surface rocks could be compared with those of the drill core. It turned out that the rhyolitic ignimbrites not only dominate the crater floor, but they also constitute around two-thirds of the area around the crater. The presence of basaltic and intermediate rocks could be mapped and classified more accurately than before. In addition, meter sized blocks of impact melt breccia were sampled at the southeast lakeshore of El’gygytgyn. In case of El’gygytgyn, it was a very important issue to find out the different characteristics of volcanic and impact melt particles. Impact melt occurs at surface as glass spherules, pebbles, and impact melt blocks. Samples of these were compared with those from the core (glass spherules, melt clasts from the suevitic units) and additionally with the volcanically produced, unshocked melts and glasses from the ignimbrites. There are two types of impact- generated melts; a pure glass and a melt mixed with strongly shocked lithic clasts (impact melt breccia). Geochemical studies revealed that the impact melt breccia is a mixture of mainly rhyolitic/rhyodacitic ignimbrite and rare basaltic andesite. That corresponds with the geochemical character of the suevite and upper bedrock sequence. Glass spherules (200-500 μm) from the upper part of the drill core and the lake or river terraces have a glassy, siliceous margin and may contain some crystal inclusions or microfragments (as quartz, feldspar or zeolithe). The rims of spherules are different in their chemical signatures (lower content of silicium) from those of the inclusions. Another type of spherule is filled by aluminosilicate melt that is partly crystallized. A clearly definable rim is lacking. All spherules were possibly produced within the ejecta plume, in analogy to the Bosumtwi crater, Ghana (Koeberl et al. 2007a). Volcanic melt particles in the ignimbrites (bedrock and country rock) occur mainly as “fiamme” structures and are fine-grained crystallized. Volcanic glass shards only occur at a minor proportion. These melt particles can be easily distinguished from impact melt that represents - in contrast - translucent melt particles with or without shocked lithic clasts. To constrain the composition of the projectile that formed the El’gygytgyn crater comprehensive geochemical studies were necessary in collaboration with researchers from the Universities of Cardiff and Vienna. Major and trace elements, including the Rare Earth Elements (REE) and Platinum Group Elements (PGE), were measured from samples of drill core material and country rocks. The suevitic breccias, especially the reworked suevite of the drill core, show a higher PGE content compared to all other lithologies. These elevated PGE contents are most likely the result of an admixture of a meteoritic component, probably of chondritic composition, which would be in good agreement with other studies on the same drill core. Nevertheless, the reworked suevite contains also a higher proportion of a mafic component, as indicated by the REE contents, in comparison to the suevite. The composition of this mafic component and its PGE content cannot clearly be determined, because of the possible contribution from chemically unusual mafic blocks to the chemical budget. Therefore, it is not possible at this stage to determine more precisely the nature of the meteoritic projectile. As a result of this work, the following reconstruction of the impact event was achieved: A likely chondritic projectile hit the Earth 3.58 million years ago and created the impact crater in siliceous volcanic rocks. The rhyolitic rocks of the crater floor were only slightly tilted during the cratering event. Overlying andesites and basalts were found not only in the core, but also on the eastern rim of the crater. The lower part of the suevite is very poor in melt and includes a relatively homogeneous distribution of shocked minerals. This could be a result of an intensive mixing process (e.g., by a ground surge) inside the crater. The upper suevitic rocks (reworked suevite) were possibly deposited from the ejecta fallout and exhibit all stages of shock metamorphism, from unshocked to melt clasts and glass spherules. Finally, the finest ash particles were accumulated as top layer after the impactites. There is no evidence for the formation of a coherent melt sheet. In the hot and slow cooling crater area, a zone of hydrothermal activity was established for an, as yet unknown, time. Ultimately, the crater lake developed. Early sedimentation was interrupted by debris flows off the unstable inner crater wall. Only after that, maybe a period as long as fifty thousand years, first deposits of pollen can be detected, as per the work of A. A. Andreev (pers. comm.).

Der El’gygytgyn Krater in Tschukotka (Russland) ist eine der besterhaltenen komplexen Impaktstrukturen, weltweit. Vor ca. 3,6 Millionen Jahren traf ein kosmisches Projektil, mit wahrscheinlich chondritischer Zusammensetzung, auf eine mindestens mehrere hundert Meter mächtige Sequenz aus verschiedenen, überwiegend felsischen, vulkanischen Gesteinen. Diese gehören dem Oberkreide- zeitlichen Ochotsk-Chukotka Vulkangürtel (OCVB) an. Neben den dominierenden rhyolithisch/rhyodazitischen Ignimbriten gibt es auch Gesteinsschichten von andesitischer bis basaltischer Zusammensetzung. Einige Zeit nach dem Kratereinschlag (etwa einige tausend bis fünfzig-tausend Jahre) bildete sich ein Kratersee, und die Ablagerung lakustriner Sedimente begann. El’gygytgyn ist somit nicht nur ein besonderer Krater was seine Lithologien angeht, sondern er stellt mit seiner ungestörten Seesedimentation ein großartiges Klimaarchiv für das gesamte Quartär dar. Das waren auch die Hauptgründe für die Tiefbohrung in dieser Struktur, durchgeführt vom International Continental Scientific Drilling Program (ICDP), im Jahre 2009. Von den vier abgeteuften Bohrungen ist D1c mit rund 520 m die tiefste und sie erbrachte rund 200 m impaktbeeinflusste Gesteine von der Flanke des Zentralbergs. Diese Gesteine wurden im Rahmen dieser Dissertation genau und vielfältig untersucht - mit Schwerpunkt auf Lithostratigraphie, die Verteilung der Schockeffekte innerhalb der erbohrten Sequenz, und die Zusammensetzung und Entstehung von suevitischen Brekzien und impaktinduzierten Schmelzen. Die erbohrten Gesteine lassen sich in vier Gesteinseinheiten untergliedern. Die obersten zwölf Meter (316-328 mblf = meters below lake floor) des Bohrkerns bestehen aus aufgearbeiteten suevitischen Brekzien (reworked suevite), die reich an ungeschockten bis hin zu extrem geschockten Klasten der verschiedenen vulkanischen Gesteine (Basalt bis Rhyolith) sind. Des Weiteren gibt es hier den größten Anteil an impaktinduzierter Schmelze, von mehrere Zentimeter großen Schmelzpartikeln bis zu winzigen (<1mm) Glaskügelchen. Die feinkörnige Matrix besteht überwiegend aus dem gleichen Material wie die Gesteinsklasten und ist angereichert mit feinen Aschepartikeln aus der kollabierten Glutwolke sowie mit feinen Tonen und Sanden aus der sedimentären, postimpakt Phase der Kraterbildung, der beginnenden Seebildung des El’gygytgyn. Die folgenden 63 m (328-391 mblf) polymikte Gesteinsbrekzie sind frei von lakustrinen Sedimenten und können durch ihr Vorkommen an kleinen Impaktschmelzpartikeln zusammen mit geschockten Mineral- und Gesteinsklasten als Suevit bezeichnet werden. Innerhalb dieser Einheit kommen drei metergroße Blöcke nahezu ungeschockten, rhyolithischen Gesteins vor, die während der Suevitablagerung eingearbeitet worden sein müssen. In einem dieser Blöcke sowie in weiteren Gesteinsklasten wurden drei, mehrere Zentimeter große shatter cones (Strahlenkegel) gefunden. Weiter, im Liegenden, gibt es eine ca. 32 m (391-423 mblf) mächtige Abfolge von rhyolithischen Ignimbriten. Hier konnten mehrere Lagen vulkanischer Ablagerungen identifiziert werden. Am oberen Ende dieser Einheit gibt es eine basaltische Lage von etwa 1 Meter Mächtigkeit, die viele gescherte Gesteins- und Mineralklasten enthält, das letzte (tiefste) Auftreten von geschockten Mineralen aufweist, und eine Vermischung mit Glasscherben und Fragmenten des überlagernden Suevites zeigt. Die Ausbildung dieser dünnen Lage kann als Resultat einer turbulenten Platznahme des Suevits am Kraterboden betrachtet werden, oder alternativ, als ein Vermischungshorizont, resultierend aus der Modifizierungsphase des Kraters. Es folgt ein relativ uniformer Bereich von ca. 94 m (bis zum Ende der Bohrung bei ~517 mblf) mit homogenen, rhyolithisch/rhyodazitischen Ignimbriten, der einige Einschaltungen und Störungen aufweist. Zum einen gibt es im oberen Bereich zwei exotische, mafische Blöcke, die kataklastische Korngrössenverkleinerung mit Scherung aufweisen. Diese Blöcke sind extrem alteriert und mit verschiedensten Spurenelementen angereichert, im Vergleich zu allen anderen Lithologien. Dies könnte während einer postimpakten, hydrothermalen Alteration geschehen sein. Zum anderen gibt es einen polymikten Gang (Impaktbrekzie) im unteren Teil dieser Einheit. Es konnten schockmetamorphe Änderungen in Mineralen diagnostiziert werden, jedoch nicht mit Sicherheit impaktinduzierte Schmelzpartikel. Weiterhin konnte geochemisch festgestellt werden, dass es sich nicht um einen einheitlichen Ignimbrit handelt, sondern dass es sich hierbei um zwei getrennte, aber sehr ähnliche Lagen von rhyolithisch/rhyodazitischen Ignimbriten handelt. Sie weisen keine schockmetamorphen Effekte auf, sind aber brekziert, d.h. mit einer Vielzahl von Klüften und Rissen durchzogen, die das massige Gestein z.T. fein zerlegen. Diese Region des Krateruntergrundes wurde offensichtlich durch den Aufstieg und den Kollaps des Zentralberges stark tektonisch beansprucht. Im Sommer 2011 war es möglich, an einer russisch-deutschen Expedition zum Kratersee teilzunehmen. Während der knapp vierwöchigen Feldkampagne wurde die Osthälfte des Kraterrandes ausführlich kartiert und beprobt. Die petrographischen und geochemischen Ergebnisse der Gesteinsanalysen mündeten zum einen in eine neue, geologische Karte der Impaktsruktur und zum anderen konnten die oberflächlich anstehenden Gesteine mit denen des Bohrkerns verglichen werden. Dabei zeigte sich, dass nicht nur die rhyolithisch/rhyodazitischen Ignimbrite den erbohrten Krateruntergrund dominieren, sondern auch rund zwei Drittel des Kratersgebietes ausmachen. Das Vorhandensein von basaltischen und intermediären Gesteinen konnte genauer kartiert und klassifiziert werden. Sowohl im Bohrkern (als Teil der suevitischen Brekzien), als auch am Kraterrand überlagern diese Gesteine die Ignimbrite. Darüber hinaus wurden auch metergroße Blöcke von Impaktschmelzbrekzie am südöstlichen Seeufer beprobt. Im Falle von El’gygytgyn war die Unterscheidung von vulkanischen und impakschmelzhaltigen Gesteinen oder Klasten ein wichtiger Bestandteil der Arbeit. Impaktschmelze kommt oberflächlich als Glaskügelchen, Geröll und Blöcke von Schmelzbrekzie vor. Proben davon wurden mit denen aus dem Bohrkern (Glaskügelchen, Schmelzklasten vom Suevit) verglichen und dann in Bezug zu den ungeschockten, vulkanisch produzierten Schmelzen und Gläsern (v.a. der Ignimbrite des unteren Festgesteins) gesetzt. Zusammenfassend gibt es zwei Typen von impaktgenerierten Schmelzklasten, die an der Oberfläche gefunden wurden: Zum einen reine Gläser und zum anderen Schmelze gemischt mit stark geschockten Gesteinsklasten - Impaktschmelzbrekzie. Gerölle von Schmelze innerhalb der Seeablagerungen bestehen aus beiden Phasen, sowohl relativ reinen, schwarzen Gläsern, als auch bräunliche Impaktschmelzbrekzie. Weiterhin gibt es metergroße Blöcke, die ebenso beide Phasen von Schmelze beinhalten. Laut der geochemischen Untersuchung ist die Impaktschmelzbrekzie ein Gemisch aus vorwiegend rhyolithischem/rhyodazitischem Ignimbrit und wenig basaltischem Andesit. Die Zusammensetzung passt gut zu der des erbohrten Suevits und der oberen Festgesteinssequenz. Die Glaskügelchen (200-500 μm groß) aus dem oberen Bereich des Bohrkerns und den See- bzw. Flussterrassen besitzen einerseits einen glasigen, silikatischen Rand und können hohl sein bzw. einige Kristalleinschlüsse oder Mikrofragmente von verschiedenen Mineralen, z. B. Quarz und Feldspat oder Zeolith, aufweisen. Der Rand der Kügelchen ist in seiner chemischen Signatur (geringerer Anteil an Silizium) unterscheidbar im Vergleich zu den Einschlüssen oder Mikrofragmenten. Ein anderer Typ von Kügelchen ist gefüllt mit aluminiumsilikatischer Schmelze, die teilweise kristallisiert ist. Ein klar definierbarer Rand fehlt bei diesen. Alle Kügelchen wurden wahrscheinlich in der Glutwolke gebildet (siehe Kapitel 3). Ein weiteres Kriterium für die Unterscheidung von vulkanischer und impaktproduzierter Schmelze ist, dass die typische „Fiamme“ Struktur des rhyolithischen/ rhyodazitischen Ignimbrites meistens feinkörnig kristallisiert ist, mit nur einem kleinen Gehalt an glasigen Scherben. Somit ist die vulkanische Schmelze leicht zu unterscheiden von impaktgenerierter Schmelze, die im Gegensatz dazu als durchsichtiges bis braun-schwarzes Glas, teilweise vermischt mit geschockten oder ungeschockten Gesteinsklasten, auftritt. Zur Eingrenzung der Bestimmung des Projektils, das den El’gygytgyn Krater geformt hat, waren umfassende geochemische Untersuchungen notwendig, in Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten Cardiff und Wien. Haupt- und Spurenelemente, inklusive der Seltenen Erden (REE) und Platingruppenelemente (PGE), wurden an Proben aus dem Bohkern und vom Kraterrand analysiert. Die suevitischen Brekzien, besonders der aufgearbeitete Suevit vom Bohrkern, zeigen einen höheren Anteil an PGE, verglichen mit allen anderen Gesteinseinheiten. Diese erhöhten PGE-Gehalte sind ein mögliches Ergebnis einer Anreicherung mit einer meteoritischen Komponente, möglicherweise von chondritischer Zusammensetzung. Dies würde gut zu anderen Studien des gleichen Bohrkerns passen. Nichtsdestotrotz, der aufgearbeitete Suevit beinhaltet auch eine höhere Anreicherung an mafischen Komponenten im Gegensatz zum Suevit, wie es der REE- Gehalt indiziert. Die Zusammensetzung dieses mafischen Anteils und sein PGE- Gehalt kann nicht genau bestimmt werden, da eine mögliche Anreicherung mit den chemisch ungewöhnlichen mafischen Blöcken zum Gesamthaushalt der Elemente beigetragen haben könnte. Daraus folgt, dass es zu diesem Zeitpunkt, mit den Ergebnissen dieser Arbeit, nicht möglich ist, die Art des meteoritischen Projektils zweifelsfrei bestimmen zu können. Als Ergebnis dieser Arbeit kann folgende Rekonstruktion des Impaktereignisses erstellt werden: Ein wahrscheinlich chondritisches Projektil traf die Erde vor 3,58 Millionen Jahren und erschuf den Einschlagskrater in den hauptsächlich felsischen Vulkaniten. Dabei sind die rhyolithischen Gesteine des Krateruntergrundes relativ ortsnah verblieben (parautochthon) und während der Kraterbildung nur leicht verkippt worden. Die den Ignimbriten aufliegenden Andesite bzw. Basalte finden sich nicht nur im Bohrkern, sondern auch weitflächig am östlichen Kraterrand. Der untere Teil des Suevits ist sehr schmelzarm und beinhaltet eine relativ homogene Verteilung der geschockten Minerale. Dies könnte aus einem intensiven Mischungsprozess (z.B. einem basalen Gesteinsschuttstrom) innerhalb des Kraters resultieren. Der obere Teil des Suevits (reworked suevite) ist möglicherweise beim Niedergehen von Partikeln aus einer Glutwolke abgelagert worden und enthält Partikel in allen Stufen der Schockmetamorphose, von ungeschockt bis hin zu Schmelz/Glaskügelchen. Zum Schluss kamen feinste Aschepartikel zur Ablagerung als oberste Schicht auf der gerade entstandenen Kraterhohlform. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass sich ein zusammenhängender Schmelzsee ausgebildet hatte. Das heiße und langsam abkühlende Kratergebiet etablierte wahrscheinlich eine Zone mit hydrothermaler Aktivität für eine unbekannt lange Zeit. Schließlich entwickelte sich der Kratersee. Erste Sedimentation wurde gestört von Gesteinsrutschungen vom instabilen, inneren Kraterrand. Erst danach, in einer Zeitspanne von einigen tausend bis zu fünfzigtausend Jahren, wurden erste Ablagerungen von Pollen aus der näheren und weiteren Umgebung sedimentiert.