The subsurface structure of oblique impact craters

Abstract

In this thesis, several terrestrial and Martian impact craters were the subject of detailed structural field and remote sensing analysis, with a strong focus on structural deformation related to oblique impacts. Additional microstructural analysis of shear induced features in quartz grains from samples of several impact structures was performed and their role as shock metamorphic features was evaluated. At Wolfe Creek crater, Australia, the hypothesis is tested that the asymmetrical, non-radial distribution of the ejecta blanket commonly seen in oblique impacts on other planets can be followed back to an internal structural signal of deformed rock beds in terrestrial crater rims (chapter 2). This non-radial signal in Wolfe Creek is used to infer the direction of impact. For comparison, the results of Wolfe Creek crater are tested on a second terrestrial crater, Meteor Crater in Arizona, USA (chapter 3). The evaluation of bedding data from Meteor Crater shows that the expected signal of an oblique impact is weak and has been overprinted by deformational effects caused by the pre-impact target heterogeneities. These deformational features are observed in detail, and mechanisms of their generation are suggested that solidify the proposed connection of Meteor Crater’s polygonal shape to target heterogeneities. Based on recent discoveries of central peaks that display non-radial structural deformation, detailed mapping of the Matt Wilson impact structure, Australia, is performed (chapter 4). Mapping results reveal that Matt Wilson is the first elliptical crater found on Earth with a central uplift. The structural deformation of the central uplift is strongly non-radial and displays a preferred direction of thrusting and imbrication that coincides with the long axis of the eroded elliptical rim. Thus, two independent indicators of non- radial deformation which infer an impact direction are found in the same impact structure. The central uplift of Martin Crater, Mars, is structurally mapped (chapter 5). Results show that the orientation of structural deformation is at a ~180° angle to the direction of impact inferred by the ejecta blanket. Recently published numerical models are used to devise a model for asymmetrical central uplift formation based on a chain of events initiated by oblique impact, and the relationship of the orientation of structural deformation to the impact direction is discussed. Initiated by microstructural analysis of samples collected from the Matt Wilson impact structure, a recently discovered type of planar microstructure in quartz, termed “feather features”, is systematically analysed in samples from several impact craters (chapter 6). Feather features are shear induced structures that are formed by shock metamorphic deformation of quartz in low-shock pressure regimes, and give insights into the differential stresses that occur during the passage of the shock wave in the early stages of crater formation. Their use as indicators for impact craters is suggested.

In dieser Dissertation wurden sowohl mehrere terrestrische als auch Mars- Krater Gegenstand detaillierter struktureller Gelände- und Fernerkundungsanalysen, wobei der Fokus auf struktureller Deformation schiefwinkliger Einschläge liegt. Zusätzliche mikrostrukturelle Analysen scherinduzierter Strukturen in Quarzkörnern aus Proben verschiedener Impaktstrukturen wurden durchgeführt, und ihre Bedeutung als stoßwellenmetamorphe Strukturen wurde evaluiert. In Wolfe Creek, Australien, wird die Hypothese getestet, ob die asymmetrische, nicht-radiale Verteilung der Ejektadecke zu einem internen strukturellen Signal des deformierten Gesteins in Kraterrändern zurückverfolgt werden kann (Kapitel 2). Das resultierende, nicht-radiale Signal in Wolfe Creek wurde benutzt, um eine Einschlagsrichtung anzugeben. Die Ergebnisse von Wolfe Creek wurden an Meteor Krater in Arizona, USA geprüft (Kapitel 3). Die Evaluierung der Schichtwerte vom Meteor Krater zeigt, dass das erwartete Signal eines schiefwinkligen Einschlags nicht ausreichend detektierbar ist, und von präimpakt- Targetheterogenitäten überprägt wurde. Diese Deformationsstrukturen sind im Detail untersucht worden. Mechanismen ihrer Generierung sind vorgeschlagen worden, die einen Zusammenhang zwischen der polygonalen Form des Kraterrands und der Targetheterogenitäten herstellen. Eine detaillierte strukturelle Kartierung der Matt Wilson Impaktstruktur wurde durchgeführt (Kapitel 4). Kartierergebnisse zeigen, dass Matt Wilson der erste elliptische Krater der Erde ist, der eine Zentralaufwölbung aufweist. Die strukturelle Deformation der Zentralaufwölbung ist nicht-radial ausgerichtet. Ihre Überschiebungs- und Verschuppungsrichtung zeigt eine Vorzugsrichtung, die mit der langen Achse des elliptischen Kraterrandes übereinstimmt, d.h. zwei unabhängige Indikatoren nichtradialer Deformation sind in einer Impaktstruktur gefunden wurden, die die Einschlagsrichtung anzeigen. Die Zentralaufwölbung des Martin-Kraters auf dem Mars ist kartiert worden (Kapitel 5). Die Ergebnisse zeigen, dass die Ausrichtung der strukturellen Deformation in einem ~180° Winkel zur durch die Ejektadecke angezeigten Einschlagsrichtung steht. Jüngst publizierte numerische Modellierungen wurden verwendet, um ein Modell asymmetrischer Zentralbergsaufwölbung zu erarbeiten, die auf einer Kette von Ereignissen basiert, welche durch einen schiefwinkligen Einschlag eingeleitet wurden. Eine jüngst entdeckte Art planarer Mikrostrukturen in Quarz, die als „feather features“ oder „Federelemente“ bezeichnet werden, wurden systematisch in Proben mehrerer Impaktstrukturen analysiert (Kapitel 6). Federelemente sind scherinduzierte Strukturen, die durch stoßwellenmetamorphe Deformation von Quarz im Niedrigstoßwellen-Druckregime gebildet werden. Sie geben Einsichten in die differentiellen Spannungen, die während des Durchlaufs der Stoßwellen in den frühen Phasen der Kraterbildung auftreten. Ihr Nutzen als Impaktindikatoren wird vorgeschlagen.