„The Steinheim impact crater (Germany) – where is the ejecta blanket?“ – Diskussion des Artikels von Buchner & Schmieder

Auf der diesjährigen 77. Jahrestagung der Meteoritical Society haben Buchner und Schmieder (2014) einen Abstract-Artikel mit dem obigen Titel (deutsch etwa: Der Steinheim-Impaktkrater (Deutschland) – wo sind die Auswurfmassen geblieben?) präsentiert.

Ausgangspunkt ist die Aussage, dass weiter außerhalb des Impaktbeckens keine Auswurfmassen bekannt sind, was dem ausgeprägten Gürtel der Auswurfmassen beim gleichaltrigen, allerdings sehr viel größeren Rieskrater gegenübersteht.

Als Ursache werden einerseits ein primärer Effekt – beim Impakt gab es praktisch keine Auswurfmassen -, anderseits die Möglichkeit der vollständigen Erosion ursprünglich existierender Ejekta erörtert.

Die zweite Möglichkeit wird wegen der Postimpakt-, heutigen Verbreitung der miozänen Sedimente um das Steinheimer Becken herum für wenig wahrscheinlich gehalten und stattdessen ein primärer Effekt favorisiert.

Das postulierte primäre Ausbleiben von Exkavation und Auswurf beim Steinheimer Becken bringen die Autoren in Verbindung mit einer Arbeit von Housen & Holsapple (2012; ähnliche Arbeiten der Autoren auch früher). In dieser Arbeit werden Auswurfmechanismen für Krater auf stark porösen Körpern im Sonnensystem diskutiert, mit dem Ergebnis, dass sich auf ihnen bei großen Kratern keine Ablagerungen von Auswurfmassen entwickeln im Gegensatz zu weniger porösen Körpern. Dazu werden Laborexperimente und Skalierungsgesetze herangezogen, die offenbar verträglich sind mit Beobachtungen z.B. beim Asteroiden Mathilde (Porosität ≈ 50%) und beim Saturn-Mond Hyperion (Porosität ≈ 40%), bei denen die großen Krater keine signifikanten Auswurfmassen besitzen, kleinere Krater aber durchaus. Eine ganz grobe Schwelle liegt demnach (Fig. 6 in Housen & Holsapple 2012) bei Kratergrößen von 20 – 50 km und bei Porositäten des Zielkörpers von > 40 %, wobei angenommen wird, dass die Gravitation auf dem hochporösen Körper keine Rolle spielt. Letztlich und etwas vereinfachend liegt der Grund einer Verhinderung des Auswurfs darin, dass bei der Exkavation und der Entwicklung des transienten Kraters (siehe z.B. hier: … den Prozess beim Meteoriteneinschlag verstehen: eine einfache Annäherung) das extrem poröse Material bevorzugt nach unten und gegen die Seiten komprimiert wird, so dass bei großen Kratern prozentual viel weniger Gestein den Weg nach außen finden kann im Vergleich zu kleinen Kratern.

Diese Modellvorstellung wenden Buchner & Schmieder (2014) an, um die anscheinend fehlenden Auswurfmassen beim Steinheimer Becken zu erklären.

Wir diskutieren:

1. Die Kratergröße des Steinheimer Beckens

Gewöhnlich wird dem Steinheimer Becken ein Durchmesser von 3,8 km (auch 3,7 km) zugeschrieben. Messungen der Gravimetrie und eine detaillierte morphologische Analyse zeigen jedoch, dass diese Impaktstruktur sehr wahrscheinlich wesentlich größer ist. So scheint ein Durchmesser von 6 – 7 km realistisch zu sein, wie in der Arbeit von Ernstson (1984: A gravity-derived model for the Steinheim impact structure. International J. Earth Sci. , 73/2, 483-498) gezeigt und in Abb. 1/4 und Abb. 5 deutlich wird.

Abb. 1. Profile gemittelter Höhen aus dem Steinheimer Becken (aus Ernstson 1984). Oberes Profil: Topographie aus 32 gemittelten radialen Höhenprofilen. Unteres Profil: Topographie aus 16 gemittelten Südprofilen (links) und 16 gemittelten Nordprofilen (rechts). Gestrichelte Linie: linkes Profil (Süden) an der Nullachse gespiegelt und um 20 m höhenversetzt. Der 3,7 km-Balken (rot) repräsentiert den mittleren Durchmesser des Kraters, wie er weiterhin in der Literatur angesetzt wird und offensichtlich nicht der Realität entspricht (aus Ernstson 1984).

Obwohl dieser Artikel in einer internationalen, renommierten Zeitschrift gedruckt wurde, wird selbst in jüngeren Arbeiten über Impakt-Modellierungen für das Steinheimer Becken (Stöffler et al. 2002, Ivanov & Stöffler 2005) weiterhin der kleine Durchmesser von 3,8 km angesetzt, was die Resultate dieser Modellierungen ziemlich fragwürdig erscheinen lässt (Diskussion dazu HIER). Genauso verhält es sich mit dem Artikel von Buchner & Schmieder (2014), die 3,8 km Kraterdurchmesser ansetzen, die für ihre Ausführungen keineswegs unwichtige Alternative des deutlich größeren Kraters aber unterschlagen und nicht zitieren. Das nennt man, wie bei Stöffler und Ivanov, schlechten wissenschaftlichen Stil (das Nichtzitieren) und fragwürdiges wissenschaftliches Arbeiten mit falschen Voraussetzungen, von denen u.U.ausgegangen wird.

2. Die mögliche Erosion der Ejekta

— Eine verlässliche Kartierung in der Umrahmung des Steinheimer Beckens ist wegen der ausgedehnten Waldflächen (Abb. 2) problematisch. Buchner & Schmieder schreiben nicht, welche Art von Kartierung in welchem Umfang und mit welcher Genauigkeit (Kartiermaßstab) durchgeführt wurde.

Abb. 2. Das Steinheimer Becken innerhalb großer Waldgebiete. Rot: Konventioneller Durchmesser (3,7bzw. 3,8 km); grün: Durchmesser nach Ernstson (1984). Google Earth.

— Paläogene und miozäne Ablagerungen in der Umgebung des Steinheimer Beckens, die nach Buchner & Schmieder zeigen sollen, dass Ejekta wahrscheinlich überlebt hätten, finden sich nicht in den geologischen Karten (Kranz 1923, Gediga 1984, Reiff 2004).

— Die verbreitet auf der Albhochfläche und auch in der Umrahmung des Steinheimer Beckens auftretenden Alblehme mit Verkieselungen (siehe geol. Karte) können durchaus Verwitterungsrelikte ausgeworfener Malmkalksteine sein.

— Die heutige Morphologie in der Umrandung des Steinheimer Beckens mit tief eingeschnittenen radialen Trockentälern (Abb. 3) deutet auf eine signifikante Erosionstätigkeit.

Abb. 3. Reliefkarte des Steinheimer Beckens. Maßstabsbalken 3 km. (Quelle: TOP 25 Baden-Württemberg).

— Die Erosion eines ursprünglich vorhandenen Ringwalls wird explizite bei Reiff (2002, Abb. 84) angesprochen: In der Bildfolge 1 – 8 der Entwicklung des Steinheimer Beckens zeigt Phase 2 den Krater unmittelbar nach dem Einschlag mit ausgeprägtem Ringwall, der durch Erosion immer kleiner wird. Für Phase 7 – Pliozän – heißt es: „Der Ringwall ist eingeebnet“. Das schreibt W. Reiff, wohl der beste Kenner der jüngeren geologischen Erforschung des Steinheimer Beckens. D.h. unabhängig von der wirklichen, kleineren oder größeren Kraterstruktur geht Reiff von einer signifikanten Postimpakt-Erosion (Phase 6: tektonische Hebung des Albkörpers) aus, die den Ringwall mit der größten Ejekta-Mächtigkeit vollständig zum Verschwinden gebracht hat. Von dieser Erosion dürften weiter außerhalb liegende Ejekta stark abnehmender Mächtigkeit nicht verschont geblieben sein. Das ist kein Zirkelschluss: Reiff schließ nicht auf Erosion wegen des (nach Buchner & Schmieder primär fehlenden) Ringwalls, sondern er bezieht sich auf die postimpakt-erdgeschichtliche Entwicklung in der Region, bei der es auch im Ries und seiner Umgebung zu erheblicher Abtragung gekommen ist.

— Unabhängig von der Postimpakt-Erosionsgeschichte und dem von Reiff angenommenen Verschwinden der Ejekta zeigt die unter 1. angesprochene morphologische Analyse (Ernstson 1984), dass eine Umwallung des deutlich größeren Kraters auch heute noch zu existieren scheint (Abb. 3).

Abb. 4. Profile gemittelter Höhen aus dem Steinheimer Becken (aus Ernstson 1984). Erläuterung siehe Abb.1.

Schlussfolgerungen zu 2.: Die Annahme eines primär nicht existierenden Ejektagürtels hat keinerlei überzeugende Basis; Buchner & Schmieder bleiben einen Beleg schuldig. Ejekta und/oder deren Verwitterungsprodukte können heute noch existieren oder/und sind der Erosion anheimgefallen.

3. Die Hypothese von Housen & Holsapple (2012)

— Die Hypothese unterscheidet zwischen großen und kleinen Kratern auf Körpern im Sonnensystem, bei denen wegen einer hohen Porosität Ejektagürtel nicht entstehen bzw. entstehen. Steinheim ist in dem Sinne ein kleiner Krater (seien es die alten 3,8 km oder die von Ernstson (1984) postulierten 6-7 km Durchmesser); die Schwelle liegt nach Housen & Holsapple bei 20 – 50 km.

— Die Porosität: Nach Housen & Holsapple soll die Porosität des betroffenen Himmelskörpers > ≈40% betragen, damit der Prozess der Ejekta-Unterdrückung wirksam wird. Buchner & Schmieder geben für den Untergrund des Steinheimer Beckens Porositäten zwischen ≈ 21 % und ≈ 44 % an und begründen das mit einer intensiven Verkarstung der anstehenden Malm-Kalksteine und -Dolomite, wobei nach ihrer Ansicht für das gesamte Target eher der höhere Wert von ≈ 44 % Porosität anzusetzen ist. Woher diese unglaublich hohen Zahlen mit einer doch gewissen Präzision (21, 44) für die Porosität der Sedimentfolge der Schwäbischen Alb zur Zeit des Obermiozän vor 15 Mill. Jahren kommen, bleibt absolut unerfindlich; ein Zitat gibt es nicht.

Nach Untersuchungen vor allem in den jüngeren Bohrungen der tiefen Geothermie liegen die intergranularen Porositäten der Malm-Kalksteine und -Dolomite bei 3-5 %, z.T. bei < 3%. Bei einer Gesamtporosität einschließlich von Karsthohlräumen von bis zu 44 % heißt das, dass ein Drittel oder mehr des Gesteinsvolumens hohl (offene Klüfte, Karsthohlräume) sein müsste. Angesichts des Einblicks in die unzähligen riesigen Steinbrüche im Malm der Alb, bleibt es rätselhaft, wie Buchner & Schmieder zu diesen Zahlen kommen.

Man kann die Porositäten in Dichten umrechnen, wenn man beispielsweise für die Matrixdichte der Malm-Kalksteine plausible 2,6 g/cm³ annimmt. Dann erhält man bei einer Porosität von 44 % eine mittlere Gesamtdichte (Schüttdichte, bulk density) für den Malm von ca. 1,9 g/cm³, wenn der gesamte Porenraum wassergefüllt ist. Für die ca. 150 m mächtige trockene Gesteinsfolge über dem Vorfluter reduziert sich der Wert auf nur noch ca. 1,45 g/cm³. Letzteres ist nur etwas mehr als die Dichte des Asteroiden Mathilde mit 1,3 g/cm³, der bei einem Durchmesser von grob 50 km als ein loser Schutthaufen (rubble pile) angesehen wird; und Mathilde haben Housen & Holsapple auch deshalb herangezogen, um ihre Modellierungen und Skalierungen zu testen (siehe oben).

Aber der Untergrund des Steinheimer Beckens? Jedem Geophysiker, der Gravimetrie auf der Alb betreibt, würden die Haare zu Berge stehen, wenn er mit einer Dichte von 1,45 g/cm³ seine Massenreduktionen vornehmen sollte, was dazu führen würde, dass seine Schwerekarte praktisch nur ein spiegelbildliches Abbild der Topographie wäre.

Nimmt man darüber hinaus das Modell von Housen und Holsapple für das Steinheimer Becken als gegeben an, dann müsste nach dem Einschlag im Beckenbereich durch die nach unten und zur Seite gerichtete Kompression mit dem Zusammendrücken der Karsthohlräume die Dichte im Vergleich zur Umrahmung erheblich zugenommen haben, was die Gravimetrie heute als eine positive Schwereanomalie über dem Krater messen müsste. Das ist bekanntermaßen nicht der Fall, und wie ein vernünftiges Dichtemodell aussieht, vermittelt die Gravimetrie in Abb. 5.

Abb. 5. Ergebnisse von Schwere-Modellierungen des Steinheimer Beckens. Dichten in g/cm³ (aus Ernstson 1984).

Schlussfolgerungen zu 3.: Der Ansatzpunkt von Buchner & Schmieder für eine Anwendung des Modells von Housen & Holsapple ist fern jeglicher geologischen und geophysikalischen Realität und führt zu rein gar nichts.

Schlussfolgerungen generell

Im Prinzip ist es vernünftig und in der Wissenschaft der prinzipiell einzuschlagende Weg, Beobachtungen anzustellen, Experimente zu machen, Analysen vorzunehmen, um danach gegebenenfalls mit Berechnungen und Computermodellierungen Erklärungsmodelle zu stützen oder auch zu widerlegen. In jüngerer Zeit ist allerdings immer häufiger festzustellen, dass das Pferd von hinten aufgezäumt wird, die Computermodellierungen an den Anfang gestellt werden, an die sich die (in der Geologie z.B: Gelände-) Beobachtungen gefälligst anzupassen haben.

Ein typisches, aber keinesfalls als Einzelfall anzusehendes Beispiel ist der Fall „Chiemgau-Impakt“ (Ernstson et al. 2010) mit der Berliner Impaktforschung unter der Leitung von Wolf-Uwe Reimold. Nachdem von der Forschergruppe des Chiemgau Impact Research Teams vor rund 10 Jahren die Hypothese eines holozänen Großimpaktes mit der Schaffung eines etwa 60 km x 30 km messenden Streufeldes mit bis zu 80 kleineren und größeren Meteoritenkratern publiziert worden war, kam sofort aus Berlin die protestierende Antwort, dass – hier kurzgefasst – nach ihren Computermodellierungen ein derart großes Kraterstreufeld unmöglich sei, vielmehr eher von 1 km großen Arealen auszugehen sei, und dass schon gar nicht Meteorite die Passage durch die Atmosphäre überleben würden, um derart kleine Krater zu erzeugen. Die Beobachtung von real existierenden anderen Kraterstreufelder erheblich größer als 1 km wurde dabei ignoriert, aber erst der real existierende Einschlag des Carancas-Steinmeteoriten, der 2007 in Peru einen 13 m großen Krater mit geschockten Gesteinen erzeugte, macht deutlich, was die Berliner Computermodellierungen in manchen Fällen Wert sind. Für Wolf-Uwe Reimold muss der Carancas-Impakt peinlich gewesen sein, was ihn nicht hindert, weiter gegen den Chiemgau-Impakt ohne jegliche Gegenargumente zu Felde zu ziehen (Ernstson 2014). 

Scheinbar den korrekten Weg wollten Buchner & Schmieder einschlagen: Erst die Beobachtung der nicht existierenden Ejekta beim Steinheim-Impaktkrater und dann das theoretische Modell, das die Beobachtung erklären sollte. Aber letztlich haben sie offensichtlich nichts anderes als das Modell im Kopf gehabt und dann die Beobachtungen „passend“ gemacht: Literatur erfahrener Geologen (z.B. Reiff 2002) nicht beachtet und wesentliche Artikel zum Steinheimer Impakt ignoriert (Ernstson 1984), Vorgaben des theoretischen Models (Gegenüberstellung mit entscheidendem Unterschied große und kleine Krater) nicht einbezogen, existierende geophysikalische Befunde (die negative Schwereanomalie) unbeachtet gelassen und schließlich – wissenschaftlich besonders unverzeihlich – Parameter (realitätsferne Porositäten des Steinheim-Gesteinsuntergrundes) ohne Quellenangabe in die Welt gesetzt.

Einmal mehr zeigen Buchner und Schmieder, dass sie dem Steinheimer Impaktkrater „mit Gewalt“ eine besondere Bedeutung beimessen wollen, die er nicht besitzt, was sich bereits in ihrer Arbeit (Buchner & Schmieder 2010) über den angeblichen Suevit im Steinheimer Becken artikuliert hat (Diskussion siehe hier!).

Literatur

Buchner, E. & Schmieder, M. (2010): Steinheim suevite – A first report of melt-bearing impactites from the Steinheim Basin (SW Germany). -Meteoritics & Planetary Science, 45, 1093-1107. (Kommentar zum Artikel)

Buchner, E. & Schmieder, M. 2014): The Steinheim impact crater (Germany) – where is the ejecta blanket? – 77th Annual Meteoritical Society Meeting, 5168.pdf.

Ernstson, K. (1984): A gravity-derived model for the Steinheim impact structure. International J. Earth Sci. , 73/2, 483-498).

Ernstson, K., Mayer, W., Neumair, A., Rappenglück, B., Rappenglück, M.A., Sudhaus, D. and Zeller, K.W. (2010): The Chiemgau crater strewn field: evidence of a Holocene large impact in southeast Bavaria, Germany. – Journal of Siberian Federal University, Engineering & Technology, 1 (2010 3) 72-103.

Gediga, P. (1984): Geologische Karte von Steinheim 1 : 10 000, Diplomarbeit Universität Essen.

Housen, K.R. & Holsapple, K.A. (2012): Craters without ejecta. – Icarus, 219, 297-306.

Ivanov, B.A. & Stöffler, D. (2005): The Steinheim impact crater, Germany: Modeling of a complex crater with central uplift. -Lunar and Planetary Science XXXVI (2005), 1443.pdf.

Reiff, W. (2002): Das Steinheimer Becken, Darstellung der geologischen Zusammenhänge (Teil I), in: Heizmann, E.P.J. & Reiff, W.: Der Steinheimer Meteorkrater (Gemeinde Steinheim, Hg.), Pfeil-Verlag, München, 160 S.

Stöffler, D., Artemieva, N.A. and Pierazzo, E. (2002): Modeling the Ries-Steinheim impact event and the formation of the moldavite strewn field. -Lunar and Planetary Science XXXIII (2002) 1871.pdf.