Impaktschmelzen und Impakt-Schmelzgesteine aus dem Rubielos de la Cérida Impaktbecken
Silikatschmelze
Schmelzgesteine treten als relativ weiche, poröse, feinkörnige Gesteine auf, die weißliche Blöcke von einigen Dezimetern bis zu 1 – 2 Metern Größe bilden. Die Blöcke sind in die polymikte Megabreccie von Barrachina eingeschaltet. Von zwei Blöcken wurden Proben genauer untersucht (siehe weiter unten das Röntgendiffraktogramm und die Tabelle). Das Gestein besteht hauptsächlich aus einem milchig-weißen Glas, das winzige Kügelchen und linsenförmige Körper bildet. Die Durchmesser betragen grob 0,5 mm. Eine zweite, untergeordnet auftretende Glasphase ist durchscheinend grau; sie füllt die Zwischenräume der weißen Partikel. Schätzungsweise macht das Glas mehr als 90% des Schmelzgesteins aus. Im Röntgendiffraktogramm sieht man das an dem typischen amorphen Glas“buckel“. Relikte von Plagioklas und untergeordnet Quarz und Glimmer im Glas zeigen sich durch entsprechende Reflexions-Peaks. Quarzkörner, Plagioklase mit Zwillingsbildung sowie gelegentlich Glimmer findet man auch in Dünnschliffen der Glasmatrix. In seltenen Fällen zeigen die Quarze planare Deformationsstrukturen (PDFs) und – häufiger – multiple Scharen planarer Brüche (PFs). Feldspatkörner zeigen Isotropisierung in Form multipler scharen isotroper Zwillingslamellen und isotroper Flecken (diaplektische Feldspatkristalle), manchmal sind sie nahezu vollständig isotrop (diaplektisches Feldspatglas). Diese Bildungen verlangen Schockdrücke der Größenordnung 30 GPa (300 kbar) (Engelhardt et al., 1969) (siehe Schock-Metamorphose).
Vier Proben des Schmelzgesteins wurden mit der RFA Philips PW1480 analysiert und zusätzlich abgetrennte Partikel des weißen und grauen Glases mit einer CAMECA SX50 Mikrosonde untersucht. Die Ergebnisse stehen in der Tabelle weiter unten. Gehalte von Mn, Cr, Sc, Co, Ni, Mo und S liegen unter der Nachweisgrenze des eingesetzten Instruments. Die geringen Totalwerte der Mikrosondenanalysen sind sehr wahrscheinlich auf die Anwesenheit von H2O zurückzuführen, das bei der Verwitterung vom Glas aufgenommen wurde. Mit einer Korrektur über die LOI-Bestimmung liegen die Totalwerte nahe bei 100%, wie die Gesamtgesteinsanalyse zeigt.
Die Zusammensetzungen der milchig-weißen Glaskügelchen und der ausfüllenden grauen Glaspartikel unterscheiden sich nicht wesentlich. Das gilt genauso, wenn man die Mikrosondenanalysen und RFA-Analysen vergleicht. Vorherrschende Oxide sind SiO2 mit 53 – 59 Gewichtsprozenten und Al2O3 mit etwa 20 %. Der MgO-Gehalt ist in den Glaspartikeln mit etwa 7 % etwas höher als in der Gesamtgesteinsanalyse (4,8 – 6,1 %). Unterschiede zwischen den Mikrosonden- und Gesamtgesteinsanalysen dürften mit sekundären Porenfüllungen oder dem Mineralgehalt zusammenhängen.
Abb. 1. Silikatisches Schmelzgestein (die gelbliche Komponente) in einem Aufschluß einer bunten Breccie als Teil der Megabreccie von Barrachina.
Abb. 2. Klasten silikatischer Schmelzgesteine, vermengt mit alttertiären Tonsteinen. Megabreccie von Barrachina.
Abb. 3. Ein Band von silikatischem Schmelzgestein in der Megabreccie von Barrachina.
Abb.4. Silikatisches Schmelzgestein im Kontakt mit alttertiärem Tonstein.
Abb. 5. Das silikatische Schmelzgestein unter dem Mikroskop: Das Gestein setzt sich aus geschätzt mehr als 90 % Glas zusammen, das winzige Kügelchen und linsenförmige Körper bildet. Breite der Aufnahme ca. 15 mm.
Abb. 6. Das silikatische Schmelzgestein unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM). Maßstab 100 µm.
Abb. 7. Das silikatische Schmelzgestein unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM). Maßstab 10 µm.
Abb. 8. Das silikatische Schmelzgestein unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM). Maßstab 1 µm. REM-Bilder ZEISS.
Abb. 9. Röntgen-Pulverdiagramm des silikatischen Schmelzgesteins. Neben den scharfen Feldspat-Peaks (f) sieht man stark verbreiterte Glimmer-Peaks (m). Diese Aufweitung zeigt die geringe Kristallinität dieser Phase. Im 2-Theta-Bereich zwischen 20° und 30° sieht man einen typischen Glas“buckel“, dem die Peaks der Feldspat- und Glimmerphasen überlagert sind.
| wt.% | white | white | white | white | white | white | mean | wt.% | bulk-1 | bulk-2 | bulk-3 | bulk-4 | bulk-5 | ||
| SiO2 | 59,95 | 59,72 | 59,38 | 57,19 | 59,95 | 59,18 | 59,23 | SiO2 | 56,06 | 58,13 | 53,45 | 54,47 | 19,78 | ||
| TiO2 | 0,24 | 0,24 | 0,21 | 0,20 | 0,23 | 0,20 | 0,22 | TiO2 | 0,33 | 0,34 | 0,38 | 0,45 | 0,24 | ||
| Al2O3 | 20,75 | 19,53 | 19,88 | 21,30 | 23,16 | 18,63 | 20,54 | Al2O3 | 20,91 | 19,76 | 20,40 | 20,96 | 6,34 | ||
| MgO | 7,26 | 7,49 | 7,42 | 6,14 | 6,45 | 8,21 | 7,16 | MgO | 5,81 | 4,77 | 5,24 | 6,14 | 12,62 | ||
| CaO | 0,88 | 1,04 | 0,92 | 0,99 | 1,09 | 1,17 | 1,02 | CaO | 1,48 | 1,56 | 1,72 | 0,98 | 22,56 | ||
| FeO | 1,61 | 1,77 | 1,62 | 1,89 | 1,85 | 1,73 | 1,75 | FeO | 2,00 | 2,70 | 2,76 | 2,49 | 2,68 | ||
| Na2O | 1,92 | 1,87 | 1,82 | 1,63 | 1,56 | 1,66 | 1,74 | Na2O | 0,48 | 1,20 | 0,29 | 0,48 | 0,02 | ||
| K2O | 0,23 | 0,28 | 0,27 | 0,21 | 0,18 | 0,26 | 0,24 | K2O | 0,65 | 1,34 | 0,45 | 0,57 | 1,82 | ||
| Total | 92,84 | 91,94 | 91,52 | 89,55 | 94,47 | 91,04 | 91,89 | LOI | 10,30 | 9,24 | 14,02 | 11,70 | 32,91 | ||
| Total | 98,02 | 99,04 | 98,71 | 98,24 | 98,97 | ||||||||||
| wt.% | grey | grey | grey | grey | grey | mean | ppm | ||||||||
| SiO2 | 56,45 | 56,89 | 58,05 | 59,54 | 57,12 | 57,61 | V | 14 | 21 | 27 | 23 | ||||
| TiO2 | 0,27 | 0,21 | 0,26 | 0,22 | 0,25 | 0,24 | Zn | 36 | 46 | 68 | 81 | ||||
| Al2O3 | 20,81 | 19,88 | 19,66 | 15,99 | 22,74 | 19,82 | Ga | 35 | 38 | 30 | 33 | ||||
| MgO | 6,77 | 6,34 | 7,18 | 6,90 | 5,93 | 6,62 | Rb | 16 | 38 | 5 | 7 | ||||
| CaO | 1,14 | 1,17 | 1,23 | 1,24 | 1,14 | 1,18 | Sr | 492 | 363 | 327 | 364 | ||||
| FeO | 1,68 | 2,18 | 1,63 | 1,51 | 1,79 | 1,76 | Y | 43 | 37 | 32 | 38 | ||||
| Na2O | 1,42 | 1,19 | 1,49 | 0,79 | 1,31 | 1,24 | Zr | 493 | 475 | 491 | 522 | ||||
| K2O | 0,21 | 0,28 | 0,24 | 0,23 | 0,19 | 0,23 | Nb | 56 | 50 | 47 | 53 | ||||
| Total | 88,75 | 88,14 | 89,74 | 86,42 | 90,47 | 88,70 | Ba | 1250 | 171 | 48 | 1034 | ||||
| Pb | 79 | 238 | 29 | 31 | |||||||||||
| Th | 68 | 59 | 64 | 59 |
Tabelle 1. Mikrosondenanalysen der weißen und grauen Glaspartikel und mittlere Zusammensetzung. Röntgenfluoreszenz-Gesamtgesteinsanalysen von vier Proben des silikatischen Glases (bulk-1 bis bulk-4) und von einem glashaltigen Einschluß des Suevits (bulk-5).
Geologen, die das Impaktereignis leugnen (von der Universität Zaragoza und vom Zentrum für Astrobiologie in Madrid, E. Díaz-Martínez, A. L. Cortés, und andere), bestehen auf einem vulkanischen Ursprung der silikatischen Schmelze, obwohl sie niemals auch nur eine einzige Analyse präsentiert haben.
Natürlich kann das silikatische Glas aus den Rubielos de la Cérida-Schmelzgesteinen nicht vulkanischen Ursprungs sein. Das belegt allein schon das Vorkommen stark geschockter Klasten in der Schmelze. Darüber hinaus: Sollte dieses Schmelzgestein eine deformierte Ascheschicht sein (so die Geologen aus Zaragoza und Madrid), müßte es pyroklastische Komponenten, aber auch – gemäß der „intermediären“ SiO2-Konzentration – mafische Reliktminerale oder andesitische Klasten enthalten. Das ist eindeutig nicht der Fall. Und weiterhin: Die chemische Zusammensetzung sollte ähnlich der von Andesiten oder basaltischen Andesiten sein. Diese Gesteine haben jedoch generell deutlich geringere Gehalte an Al2O3 und viel höhere Gehalte an FeO, CaO und (Na2O+K2O) verglichen mit den untersuchten silikatischen Schmelzgesteinen. [Es wurde dazu ein Vergleich mit sämtlichen Analysen vulkanischer Gesteine aus Wilson (1989) vorgenommen.] Schließlich sind die Schmelztemperaturen, die für die untersuchten Gesteine abgeschätzt wurden, deutlich andere als die in andesit-vulkanischen Systemen.
Karbonat-Phosphat-Schmelze
Eine ganz ungewöhnliche Art einer früheren Schmelze wurde ebenfalls in der Megabreccie von Barrachina gefunden. Das weiße Schmelzgestein (siehe Bilder weiter unten) besteht aus unregelmäßig geformten Kügelchen (bis zu 4 mm groß), die in einer extrem feinkörnigen Matrix eingebettet sind. Unter dem Mikroskop erweisen sich die Kügelchen als runde bis amöbenförmige Calcitpartikel. Sie sind grobkörnig in der Mitte und zeigen abnehmende Korngröße zu den Rändern hin, und man beobachtet eine Orientierung der langen Kornachsen senkrecht zur Berandung. Der Kontakt mit der Matrix ist extrem feinkörnig (siehe die Dünschliffaufnahme weiter unten). Die isotrope Glasmatrix ist intensiv durchzogen von winzigen, länglichen, manchmal flaserigen Mikrokristallen, die häufig tangential zu den Rändern der Calcitpartikel ausgerichtet sind. Die Gesamtgesteins-Analyse ergibt 52.7 % CaO, 8.3 % P2O5 und 1.5 % BaO (RFA, bulk in der Tabelle unten). Nach Mikrosondenanalyse ist das Karbonat der Partikel reiner Calcit. Die glasförmige Matrix besteht hauptsächlich aus CaO and P2O5 (Tabelle unten; alles Gewichtsprozente), mit geringen Gehalten von F (1.0-2.5 %), S (1.1-2.1 %, sofern berechnet als SO3), Cl (0.5-0.8 %) and NaO (0.3-0.6 %). Die geringen Totalwerte der Analysen deuten auf hohe Anteile leichter Komponenten im Ca-P-Glas, vermutlich H2O, das vom Glas bei der Verwitterung aufgenommen wurde. Aber auch erhebliche Gehalte an C oder CO2 kommen in Frage. Stellenweise beobachtet man eine starke Anreicherung von Ba und S auf Kosten des CaO- und P2O5 -Gehaltes, der dann bis in den Bereich von Spurenelementen sinkt oder unter die Nachweisgrenze fällt. Al2O3 ist dagegen in geringen Konzentrationen von 1 % vorhanden. Teilweise ist das Ca-P-Glas zu Apatit rekristallisiert, wie die Analyse mit dem Röntgendiffraktometer zeigt. Die Diffraktionspeaks dieses Apatits sind aber im Vergleich mit denen von gut auskristallisiertem Apatit (hier nicht gezeigt) deutlich verbreitert, was auf sehr geringe Kristallinität hinweist (siehe Röntgendiffraktogramm weiter unten). Der Gehalt an Baryt wurde ebenfalls mit dem Röntgendiffraktometer nachgewiesen. Dieser Baryt mag als eine sehr feinkörnige Phase innerhalb der Ba-/S-Anreicherungen vorkommen, die mit der Mikrosonde in der Ca-P-Matrix festgestellt wurden.
Abb. 10. Komponente aus Karbonat-Phosphat-Schmelze (weiß) in der Megabreccie von Barrachina. Durchmesser der Münze 23 mm.
Abb. 11. Bruchfläche der Karbonat-Phosphat-Schmelze.
Abb. 12. Nahaufnahme der Karbonat-Phosphat-Schmelze: Calcit-Partikel (etwas dunkler) in einer Matrix aus Phosphatglas (weiß).
Abb. 13. Karbonat-Phosphat-Schmelzgestein: Dünnschliff-Aufnahme (gekreuzte Polarisatoren) der amöbenförmigen Calcitkörper in einer Matrix aus Phosphatglas (dunkel). Man beachte, daß die einzelnen Calcitkristalle zum Zentrum hin immer größer werden, und man erkennt an der Orientierung, daß die randlichen Kristalle offensichtlich senkrecht zur Berandung gewachsen sind. Teilweise ist das Phosphatglas, insbesondere entlang der Berandung der Calcitkörper, zu Apatit rekristallisiert (gelängte, machmal flaserige Minerale mit tangentialer Orientierung zur Berandung der Calcitkörper). Breite des Aufnahmefeldes 6 mm.
Eine ähnlich Schmelze tritt im Suevit des Rieskraters (Nördlinger Ries) auf. Im Suevit haben die Calcit-Partikel eine identische Struktur und Zusammensetzung verglichen mit denen aus den Barrachina-Schmelzgesteinen, und sie werden von Graup (1999) als Abkühlungsprodukte einer Karbonatschmelze gedeutet. Anders als in den Barrachina-Schmelzgesteinen ist die Matrix in den Riesproben silikatisches Glas, das sich aus einer Mischungsunvertäglichkeit von Karbonat- und Silikatschmelze gebildet hat. In unserem Fall haben wir dagegen eine Mischungsunverträglichkeit von ursprünglich koexistierenden Karbonat- und Phosphatschmelzen.
Abb. 14. Mischungsunverträglichkeit von Karbonat- und Silikatschmelze im Suevit des Ries-Kraters (Graup 1999). Dünnschliffaufname,gekreuzte Polarisatoren. Breite der Aufnahme 5 mm.
| wt.% | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | mean | bulk | |
| P2O5 | 22,13 | 21,26 | 24,47 | 27,52 | 32,61 | 32,42 | 26,74 | 8,25 | |
| Al2O3 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | |
| CaO | 35,83 | 35,97 | 37,46 | 42,93 | 48,76 | 51,62 | 42,10 | 52,65 | |
| BaO | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1,47 | |
| Na2O | 0,35 | 0,32 | 0,46 | 0,57 | 0,53 | 0,55 | 0,46 | 0,23 | |
| SO3 | 1,67 | 1,15 | 1,77 | 2,12 | 1,47 | 1,37 | 1,59 | 0,92 | |
| F | 1,57 | 1,56 | 1,02 | 2,26 | 2,24 | 2,39 | 1,84 | n.d. | |
| Cl | 0,62 | 0,71 | 0,50 | 0,79 | 0,49 | 0,55 | 0,61 | n.d. | |
| LOI | 34,31 | ||||||||
| Total | 62,18 | 60,98 | 65,68 | 76,19 | 86,10 | 88,91 | 73,34 | 97,83 | |
Tabelle 2. Mikrosondenanalysen der glasförmigen Phosphatmatrix; mittlere Zusammensetzung dieser Matrix sowie Gesamtgesteinsanalyse (Röntgenfluoreszenz) der Karbonat-Phosphatschmelze (bulk).
Abb. 15. Röntgendiffraktogramm der Karbonat-Phosphat-Schmelze. Peaks von Calcit (c) und Baryt (b) sowie deutlich verbreiterte Peaks von Hydroxylapatit (h) überlagern einen Glas“buckel“. Den „Buckel“ sieht man in der Ausschnittsvergrößerung des Diffraktogramms mit logarithmischer Skalierung für die Intensität, aber er ist weniger ausgeprägt wegen des insgesamt geringen Gehaltes des Glases in dem Schmelzgestein.
Karbonatschmelze
Wie bereits für die Azuara-Struktur erörtert, wird die Existenz von Relikten ursprünglicher Karbonatschmelze auch für das Rubielos de la Cérida-Impaktbecken angenommen. Eine Karbonatschmelze kann nicht zu Glas abgeschreckt werden, sondern kristallisiert sehr schnell wieder zu Karbonat (siehe z.B. die Diskussion von Graup, G. (1999). MAPS, 34, 425-438). Deshalb kann die Abstammung von einer Karbonatschmelze nur indirekt nahegelegt werden, und zwar durch das Auftreten skelettartiger, dentritischer Kristallite, blasiges Gefüge und verwandte Merkmale (siehe dazu auch die Diskussion von Katschorek [1990] über die Karbonatschmelzen in der Azuara-Struktur).
Abb. 16. Vermutlich Karbonat-Schmelzgestein aus dem Steinbruch von Corbalán im südlichen Impaktbecken. Nachfolgend Detailaufnahme.
Abb. 17. Das hochporöse Material geringer Dichte zeigt ein ausgesprochen blasiges Gefüge (Breite des Aufnahmefeldes 7 mm).
Abb. 18. Tapeten und watteähnliche Fetzen aus weißem karbonatischem Material in einem stark blasigen calcitischen Gerüst: mögliche Relikte einer Karbonatschmelze. Megabreccie zwischen Escorihuela und El Pobo/Corbalán; südöstlicher Beckenrand.
Abb. 19. Nahaufnahme.
Abb. 20 – 22. REM-Aufnahmen der Relikte von Karbonatschmelze. Man beachte die blasige, filzige Ausbildung (dieses Bild) und die nadelförmigen (Abb. 21) und dendritischen (Abb. 22) Kristallite. Die REM EDX-Analyse weist Kalziumkarbonat und Spuren von Quarz nach. Maßstab 20 µm.
Abb. 21. Nadelförmige Kalziumkarbonat-Kristallite. Maßstab 10 µm.
Abb. 22. Dendritische Kalziumkarbonat-Kristallite. Maßstab 2 µm.
Sulfat-Schmelze
In der Megabreccie von Barrachina finden sich mehr oder weniger große Klasten eingeschaltet (siehe Bild unten), die aus einem hochporösen Material (Trockendichten von nur 1,4 g/cm³ wurden gemessen) bestehen. Einige wenige Gesteinsfragmente stecken in dem weißen Material, das chemisch nahezu reines CaSO4 ist. Im Dünnschliff kann Fließgefüge beobachtet werden; sonst ist die Matrix mikroskopisch nicht weiter auflösbar. Mineralfragmente, meist Quarz und Feldspat, sind zum Teil stark geschockt (PDFs, diaplektisches Glas). Auch die Minerale in den eingelagerten Gesteinsfragmenten zeigen Schockbeanspruchung.
Offensichtlich ist das CaSO4-Material kein chemisches Sediment (Gips, Anhydrit), und eine Bodenbildung ist gleichermaßen auszuschließen. Mit Blick auf die hohe Porosität, das Fließgefüge und die starken Schockeffekte könnte sich das Material durch Kristallisation aus einer schock-produzierten Sulfatschmelze gebildet haben. Der Schmelzpunkt von Anhydrit liegt bei 1450°C, und das ist eine Temperatur, die deutlich überschritten wurde, um z.B. die Silikatschmelze in der Megabreccie von Barrachina zu erzeugen. Kristallisation aus einer Anhydritschmelze erwägt man auch für Material aus Suevitbreccien der Chicxulub-Impaktstruktur (Claeys et al. 2003; siehe http://we.vub.ac.be/~dglg/Web/Claeys/Claeys%20et%20al%202003.pdf )
Abb. 23. Komponente aus vermutetem Sulfat-Schmelzgestein in der Megabreccie von Barrachina.
Abb. 24. Das Sulfat-?Schmelzgestein in Nahaufnahme. Man beachte die Quarzit-Klasten in der hochporösen CaSO4 -Matrix geringer Dichte.
Abb. 25. Das Sulfat-Schmelzgestein unter dem REM. Man beachte die das blasige Gefüge.
Impakt-Glas: Schock oder Pseudotachylit
Das hier zu besprechende Glas überzieht einen Sandstein im südlichen Teil der Zentralbergkette im Rubielos de la Cérida-Impaktbecken. Das Glas hat eine grünliche bis weißliche Farbe und ist durchsichtig bis milchig trüb. Im Dünnschliff erweist sich der Sandstein als extrem beansprucht. Man beobachtet kataklastisches Fließgefüge, das in das Glas übergeht. Quarzkörner sind heftigst zerbrochen und können multiple Scharen planarer Brüche (PFs) und planarer Deformationsstrukturen (PDFs) aufweisen.
Wegen der Schockeffekte im Sandstein scheint eine Schockgenese des bemerkenswerten Glases plausibel. Als alternative Möglichkeit erwähnen wir die Entstehung aus einer Reibungsschmelze bei extremer dynamischer Metamorphose im Verlauf des Impaktes (Exkavationsphase oder – eher wahrscheinlich – Modifikationsphase, als sich die Zentralbergkette bildete). Das Glas könnte man dann als Pseudotachylit bezeichnen.
Abb. 26. Aus einer Schockschmelze oder Pseudotachylit? Glas überzieht einen Sandstein in der südlichen Zentralbergkette.
Abb. 27. Nahaufnahme des – hier durchsichtigen – Glases.
Abb. 28. Der Sandstein, senkrecht zur Glaskruste (im oberen Teil) gesägt. Breite des Aufnahmefeldes 16 cm.
Abb. 29. Die gesägte Fläche in der Nahaufnahme. Man beachte das komplexe Fließgefüge und die ?injizierten Gängchen.
Abb. 30. Dünnschliffaufnahme (gekreuzte Polarisatoren) des verglasten Sandsteins unter der Glaskruste (oben). Aufnahmebreite 6 mm.
Abb. 31. Dünnschliffaufnahme (gekreuzte Polarisatoren) des verglasten Sandsteins; drei Scharen planarer Deformationsstrukturen in einem Quarzkorn. Aufnahmebreite 240 µm.