Een Amerikaans-Duits onderzoeksteam heeft meteorietinslagen in het laboratorium gesimuleerd en de resulterende structurele veranderingen in twee veldspaatmineralen gevolgd met röntgenstralen terwijl ze plaatsvonden. De resultaten van de experimenten bij DESY en bij Argonne National Laboratory in de VS laten zien dat structurele veranderingen kunnen optreden bij zeer verschillende drukken, afhankelijk van de compressiesnelheid. De bevindingen, gepubliceerd in het 1 februari nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Aardse en planetaire wetenschapsbrieven (vooraf online gepubliceerd), zal andere wetenschappers helpen om de omstandigheden te reconstrueren die leiden tot inslagkraters op aarde en andere terrestrische planeten.

Meteorietinslagen spelen een belangrijke rol bij de vorming en evolutie van de aarde en andere planetaire lichamen in ons zonnestelsel. Maar de impactomstandigheden, inclusief de grootte van het botslichaam, snelheid en de piekdruk en temperatuur, worden meestal lang na de inslag bepaald door permanente veranderingen in de gesteentevormende mineralen in de inslagkrater te bestuderen. Om de inslagcondities te reconstrueren uit het gesteente in een inslagkrater honderden tot miljoenen jaren na de gebeurtenis, moeten wetenschappers waarnemingen uit het veld in overeenstemming brengen met de resultaten van laboratoriumexperimenten.

In de afgelopen decennia, wetenschappers hebben een classificatieschema ontwikkeld dat impactomstandigheden koppelt aan druk- en temperatuurgeïnduceerde veranderingen in gesteentevormende mineralen die te vinden zijn in typische gesteenten in inslagkraters. De veldspaatgroep mineralen albiet (NaAlSi ₃ O ₈ ), anorthiet (CaAl ₂ Si ₂ O ₈ ) en hun mengsel plagioklaas (NaxCa _1-x Al _2-x Si _2+x O ₈ ) zijn zeer overvloedig in planetaire korsten. Daarom, veranderingen in deze mineralen met betrekking tot druk en temperatuur worden veel gebruikt als indicatoren voor zeer grote effecten. Dergelijke veranderingen omvatten structurele transformaties of amorfisering, het verlies van geordende kristalstructuur.

Echter, voor de veldspaatgroep mineralen, de gerapporteerde waarden voor de drukomstandigheden van de amorfiseringsovergang verschillen enorm als statische of dynamische compressietechnieken worden gebruikt. "Deze verschillen wijzen op grote hiaten in ons begrip van door compressiesnelheid geïnduceerde processen in mineralen, " zegt Lars Ehm van Stony Brook University en Brookhaven National Laboratory, de hoofdonderzoeker van het project. Dit heeft verstrekkende implicaties voor de interpretatie van natuurlijke impactgebeurtenissen op basis van het rotsrecord met betrekking tot de snelheid, grootte en andere eigenschappen van de meteoriet.

De inwendige structuur van mineralen en andere monsters kan worden onderzocht met röntgenstralen die worden afgebogen door het kristalrooster van een materiaal. Uit het karakteristieke diffractiepatroon, de inwendige structuur van een monster kan worden bepaald. Deze techniek wordt al meer dan een eeuw gebruikt en verfijnd. Het kan nu ook worden gebruikt om dynamische processen te volgen.

"De opkomst van nieuwe en zeer krachtige röntgenbronnen zoals PETRA III, Geavanceerde fotonbron, en de Europese X-ray Free Electron Laser in combinatie met de recente kwantumsprongen in röntgendetectortechnologie bieden ons nu de experimentele hulpmiddelen om de respons van materialen te onderzoeken om de atomaire structuur te meten bij snelle compressieomstandigheden, " zegt Hanns-Peter Liermann, hoofd van de Extreme Conditions Beamline P02.2 bij DESY's röntgenbron PETRA III, waar enkele van de experimenten werden uitgevoerd.

"In ons experiment gebruikten we gas- of actuator-gestuurde diamanten aambeeldcellen om onze monsters snel te comprimeren, terwijl we continu röntgendiffractiepatronen verzamelen, " legt Melissa Sims uit, hoofdauteur van de studie. "Hierdoor kunnen we de veranderingen in de atomaire structuur volgen tijdens de volledige compressie- en decompressiecyclus, en niet alleen aan het begin en einde van het experiment zoals in eerdere zogenaamde herstelexperimenten."

Het onderzoeksteam was in staat om amorfisatie van albiet en anorthiet bij verschillende compressiesnelheden in het experiment waar te nemen. Ze comprimeerden de mineralen tot een druk van 80 gigapascal, overeenkomend met 80, 000 keer de atmosferische druk. In de experimenten, compressiesnelheden van 0,1 gigapascal per seconde (GPa/s) tot 81 GPa/s werden gebruikt. "De resultaten laten zien dat, afhankelijk van de mate van compressie, de mineralen ondergaan de amorfiseringsovergang bij zeer verschillende drukken, "zegt Ehm. "De toename van de compressiesnelheid leidt tot een verlaging van de waargenomen amorfisatiedruk." bij de laagste compressiesnelheid van 0,1 GPa/s, albiet werd volledig amorf bij een druk van 31,5 gigapascal, terwijl dit bij de hoogste snelheid van 81 GPa/s al gebeurde bij 16,5 gigapascal.

"Om deze redenen, amorfisatie in plagioklaasmineralen is waarschijnlijk geen eenduidige standaard om specifieke piekdrukken en temperatuuromstandigheden tijdens meteorietinslag te suggereren, ", zegt Ehm. Verder onderzoek is nodig om het gedrag van deze mineralen volledig te begrijpen en om te beoordelen of de impactomstandigheden kunnen worden afgemeten aan de structuur van gesteentemineralen.