Numerical modeling of meteorite impact-induced shock and elastic wave propagation and crater formation in heterogeneous material

Abstract

Impact processes have shaped the development and evolution of the planetary bodies in our solar system. Despite the importance of this fundamental geological process, the consequences of impact events for targets with varying properties have not been sufficiently quantified. Thus, this thesis investigates the effect of target properties on impact-induced shock and elastic wave propagation and the crater formation using numerical simulations. This approach aims to offer a better understanding of impact processes on heterogeneous targets, which is key for quantitatively assessing of the role of impact and collision processes in the formation of the solar system and the evolution of planetary surfaces. For this study, the iSALE shock physics code has been used to conduct numerical simulations of impact processes within the Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Research Network (MEMIN). The usage of numerical models first requires rigorous validation and calibration of numerical parametrizations of the thermodynamic and mechanical response of material upon impact (so-called material models) against experimental observations. Then, the study focuses on the simulation of laboratory impact experiments in quartzite and in dry and water-saturated sandstone. Finally, the numerical data are applied to impact cratering in nature. To investigate the entire cratering process in detail, the first thing needed is an understanding of the propagation of the shock wave and how the target material responds to shock loading as a function of petrophysical properties is needed. To provide detailed quantitative insights, mesoscale models, where single pores and grains are resolved, have been developed and analyzed in this thesis to gain a detailed understanding of shock wave-induced pore collapse. Pore collapse results in localized pressure amplifications, which can be up to four times greater than the average shock pressure in a porous sample. Mesoscale simulations, therefore, can explain the observed localized high shock pressure phases that appear next to more or less unshocked grains in impactites and meteorites; they can also explain the occurrence of shock effects such as the formation of diaplectic quartz glass in experiments in the low-pressure range. In addition to the investigation of the shock wave, the elastic wave, which eventually evolves from the initial shock wave, has been recorded and analyzed using numerical sensors in iSALE. A systematic modeling study of impacts into targets with varying properties and the analysis of recorded seismic signals resulted in the determination of the so-called seismic efficiency k, which relates the seismic energy to the impact energy. According to our results, k decreases slightly with porosity and is approximately two orders of magnitude lower for water-saturated materials than for dry nonporous material. The seismic quality factor Q, which quantifies how fast the wave attenuates, ranges between 35 and 80 for “dry” materials and is much lower (<10) for “wet” materials. The seismic magnitude of an impact event is about one order of magnitude larger for a solid or porous target than for a water-saturated target, showing that the seismic consequences are significantly dependent on target properties, and less seismic energy is induced if targets contain water. Finally, the numerical results obtained at the laboratory scale were then extrapolated to natural crater dimensions. Therefore, numerical models were used to investigate crater formation beyond the scale of laboratory impact experiments, where crater size is controlled by the yield strength of the target material. It is well known that on the scale of natural impact craters, crater size is primarily controlled by gravity. In the current study, scaling parameters have been determined for cohesive materials, whereby the dynamic strength of the materials was accounted for.

Impaktprozesse haben wesentlich zur Entwicklung und Evolution von planetaren Körpern in unserem Sonnensystem beigetragen. Auch wenn die Bedeutung dieses fundamentalen Prozesses allgemein bekannt ist, wurden die Konsequenzen von Impaktereignissen unter der Berücksichtigung von Targeteigenschaften bisher nicht ausreichend quantifiziert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Einflusses von Targeteigenschaften auf die impaktinduzierte Stoßwellenausbreitung, die elastische Wellenausbreitung und auf die Kraterbildung unter Verwendung von numerischen Simulationen. Dieser Ansatz hat das Ziel, ein besseres Verständnis von Kraterprozessen in heterogenen Targetmaterialien zu erlangen. Dies ist Voraussetzung für eine quantitative Bewertung, welche Rolle Impakt- und Kollisionsprozesse in der Entwicklung unseres Sonnensystems und der Evolution von planetaren Oberflächen spielen. Der iSALE shock physics code wird benutzt um numerische Simulationen von Kraterprozessen im Rahmen des "Multidisciplinary Experimental and Modelling Impact research Network” (MEMIN) auszuführen. Die Verwendung von numerischen Modellen setzt eine komplexe Validierung und Kalibrierung von numerischen Parametrizierungen des thermodynamischen und mechanischen Verhaltens des Materials (sogenannter Materialmodelle), basierend auf experimentelle Beobachtungen, während eines Impaktes voraus. Die Studie konzentriert sich vorwiegend auf die Modellierung von Impaktexperimenten in Quarzit und in trockenen und wassergesättigten Sandstein. Letztendlich werden die numerischen Daten auf Impaktkrater in der Natur angewendet. Um den gesamten Kraterprozess im Detail zu untersuchen, ist es zunächst nötig ein gutes Verständnis über die Ausbreitung der Stoßwelle und wie das Targetmaterial als Funktion seiner petrophysikalischen Eigenschaften auf die Stoßwelle reagiert, zu erlangen. Mesoskalige Modelle, in denen einzelne Poren und Kornstrukturen aufgelöst werden, wurden entwickelt und analysiert um einem detaillierten Verständnis über stoßwelleninduzierten Porenkollaps gerecht zu werden. Porenkollaps führt zu lokalen Druckerhöhungen, die das Vierfache der gemittelten Stoßwellendrücke in einem porösen Material erreichen können. Mesoskalige Modelle können so das Auftreten von beobachteten lokalen Stoßwelleneffekten direkt neben ungeschockten Körnern in Impaktiten und Meteroriten sowie die Bildung von diaplaktischem Quarzglas in Experimenten im Niedrigdruckbereich erklären. Zusätzlich zu der Untersuchung der Stoßwellen, wurden elastische Wellen mit Hilfe von numerischen Sensoren aufgezeichnet und ausgewertet. Eine systematische Modellierungsstudie von Impakten in Zielgesteinen unterschiedlicher Eigenschaften und die Analyse aufgenommener seismischer Signale führt zur Bestimmung der sogenannten seismischen Effizienz k, welche die seismische Energie mit der Impaktenergie in Relation setzt. Laut der ausgeführten Studie nimmt k mit Zunahme der Porosität leicht ab und ist ungefähr zwei Größenordnungen kleiner für wassergesättigte Materialien als für Festgesteine ohne Wasseranteil. Der sogenannte seismische Qualitätsfaktor Q quantifiziert das Abklingverhalten der elastischen Welle in einem bestimmten Material, und liegt zwischen Werten von 35 und 80 für trockenes Material und ist signifikant kleiner (<10) für nasse Materialien. Die seismische Magnitude eines Impaktereignisses ist ungefähr eine Magnitude größer in einem Festgestein ohne Wasser als in einem Gestein welches Wasser enthält. Dies führt zu dem Schluss, dass seismische Konsequenzen signifikant von den Eigenschaften des Zielgesteins abhängig sind und weniger seismische Energie in wassergesättigte Gesteine induziert wird. Die numerischen Ergebnisse auf der Skala von Laborexperimenten konnten letztendlich auf natürliche Kraterdimensionen hochskaliert werden. Dafür wurden numerische Modelle verwendet um den Kraterbildungsprozess nicht nur auf der Skala von Laborexperimenten, wo die Kratergröße durch die Festigkeit des Zielgesteins dominiert wird, zu untersuchen. Auf der Skala von natürlichen Impaktkratern wird die Kratergröße hauptsächlich durch die Schwerkraft kontrolliert. Beim Hochskalieren der numerischen Ergebnisse wurde die dynamische Festigkeit des Materials berücksichtigt und Skalierungsparameter für Festgesteine bestimmt.