Schockstrukturen in Meteoriten

[TStein]

Hallo liebe Metoritenbegeisterte,

ich möchte mal wieder ein paar Aspekte über unsere Besucher aus dem Weltraum beleuchten, bzw. diskutieren und zwar soll es hauptsächlich um Schockstrukturen in Meteoriten und in diesem Zusammenhang auch um seltene Hochdruckmineralien gehen. Für das Auffinden und die Untersuchung der Hochdruckminerialien wäre mein RAMAN-Mikroskopaufbau übrigens sehr gut geeignet.

Vllt erstmal eine schnelle Einführung. Schockstrukturen in Meteoriten sind irreversible Veränderungen im Gestein, die bspw. durch extreme Druck- und Temperatureinwirkungen bei kosmischen Kollisionen entstehen. Diese Prozesse finden meist lange vor dem Fall auf die Erde statt, bspw. wenn Asteroiden im Weltraum miteinander zusammenstoßen oder extreme Einschläge auf den Gesteinsplaneten und Monden Gesteinsbrocken in den Weltraum schleudern.

In diesem Zusammenhang gibt es auch eine nachvollziehbare Schock-Klassifikation für gefundene Meteoriten, wobei die Intensität des Schocks in sechs Stufen (S1 bis S6) unterteilt wird, welche normalerweise im Dünnschliff unter dem Mikroskop bestimmt werden:

S1 (ungeschockt): Keine sichtbaren Veränderungen in den Mineralen.
S2 (schwach geschockt): Erste Anzeichen, wie undulöse (wellige) Auslöschung (optische Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter).
S3–S4 (moderat geschockt): Bildung von Planar Fractures (PF - periodische Risse mit ~einigen 10er um Abstand). Mosaizismus, also mosaikförmige Auslöschung im Dünnschliff sichtbar. Ab S4 sind auch Planar Deformation Features (PDF - lamellenförmige Kristallstörungen, <5um) festzustellen. 
S5 (stark geschockt): Umwandlung von Mineralen in Hochdruckmodifikationen oder Glas (z. B. Maskelynit, Diamanten, Bridgmanit, Ringwoodit, Wadsleyit). "Schock-Darkening", also Eindunkeln des Meteoriten aufgrund von sich bildenden Metall- und Troilithaltigen Schockschmelzadern
S6 (sehr stark geschockt): Teilweises bis vollständiges Schmelzen des Gesteins.

Anbei ein paar Bilder und Impressionen:


Bild 1: Planar Fractures in einer Chondre, Bildbreite ~0,5mm (Anschliff, gekreuzte Polarisation, Fluotar 10x)


Bild 2: Mglw. Gesteinsglas (Chondrit) (Bildbreite ~0,2mm) (Anschliff, gekreuzte Polarisation, Fluotar 10x)


Bild 3: Planar Deformation Features in einem Chondriten (Bildbreite ~0,2mm) (Anschliff, gekreuzte Polarisation, Fluotar 10x)


Bild 4: Schock-Darkening im oberen Bildbereich (Chondrit) (Bildbreite ~10mm) (Anschliff, gekreuzte Polarisation, Stitching Fluotar 10x)


Bild 5: Schmelzadern in einem Chondriten (Bildbreite ~0,2mm) (Anschliff, gekreuzte Polarisation, Fluotar 10x)


Bild 6: Diamantstruktur, mglw auch Lonsdaleit in einem Ureilit (Bildbreite ~20um) (Anschliff, gekreuzte Polarisation, Fluotar 150x)

Ergebnisse der RAMAN-Untersuchungen folgen demnächst!

Lg Tino

[Gerd Schmahl]

Hallo Tino,
einen sehr interessanten Beitrag hast Du da verfasst. Eine Frage habe ich: Heißt das tatsächlich "Schmalzadern", wie Du an zwei Stellen schreibst, oder "Schmelzadern".
LG Gerd

[TStein]

Hihi, Schmelzadern sind gemeint 🤭
Habs fix geändert .

[hugojun]

Hallo Tino,
danke für deinen Beitrag zum Thema Meteorite und im Speziellen zu der Schock Klassifizierung der Meteorite.
Deiner, sicherlich bewusst vereinfachten Einführung der Schockklassen, möchte ich nur eine kleine Hintergrundinformation hinzufügen:
Die ersten Versuche der Kalibrierung  der durch Druck-Temperatur-Verhältnisse induzierten Veränderungen in Gesteinen, wurden anhand der Indizierung der PDF-Translation – Flächen an geschockten Quarzen unternommen. 
Da Quarz aber eher selten bis gar nicht in den chondritischen Meteoriten vorkommt, wurde das Auftreten von Veränderungen in anderer Mineralphasen, die parallel zur Quarz-Modifikation verliefen, den gleichen Druck- und Temperaturverhältnissen ausgesetzt waren, zur Schockklassifizierung herangezogen.
Die von Stöffler et al. 1965 postulierten Stufen S1 bis S6 galten strenggenommen nur für porösen Sandstein. Da aber die Porosität für die Post-Shock – Temperatur entscheidend ist, fallen Umwandlungen von anderen Mineralen, die häufig anzutreffen sind wie Olivin, Pyroxen und Feldspat, nicht in die die gleiche Schockklasse.
Diesem Umstand haben Stöffler et al. 2017 dann in einer überarbeiteten Veröffentlichung Rechnung getragen.
Bei Schockangaben, die sich auf Chondrite beziehen, ist dann das Präfix ,,C" dem ,,S" vorangestellt, um im richtigen Kontext zu agieren.
Da deine Einleitung aber der Vorbereitung deines eigentlichen Beitrags, der Bestimmung der Schockminerale durch Raman-Spektroskopie nur vorangestellt war, bin ich jetzt gespannt auf deine Raman Spektren und ob und welche Minerale du bestimmen konntest.
lG
Jürgen

[Spectrum]

Hallo Tino,
Komplettes Neuland für mich, aber gerade deshalb ganz besonders interessant.
Vielen Dank für diese tolle Präsentation.
Holger

[Peter T.]

Hallo Tino,

toller Beitrag, da könnte man tatsächlich in Versuchung kommen, auch nach Minimeteoriten zu suchen.

schöne Grüße

Peter

[olaf.med]

Hallo Tino,

herzlichen Dank für den sehr interessanten Beitrag. Ich bin sehr gespannt ob Du Diamant oder sogar Lonsdaleit verifizieren kannst! In irdischen Impaktgesteinen ist ja zumindest Diamant eindeutig gefunden worden,  und zwar als direktes Umwandlungsprodukt von Graphit (z.B. im Nördlingen Ries).

Herzliche Grüße, Olaf

[TStein]

Hallo Jürgen, Holger, Peter, Olaf,

danke für das Interesse an diesem doch recht speziellen Thema.

@Jürgen: Bezüglich Eingruppierung und Schockklassifizierung bin ich ganz sicher kein Experte, ich versuche nur ein bisschen die Indizien an meinen Meteoritensamples nachzuvollziehen.
Soweit ich verstanden habe, ist es doch recht schwierig diese Extremereignisse nachzubilden, weil Erstens die Schockereignisse im All auf viel längeren Zeitskalen (Sekunden, anstatt Mikrosekunden) stattfinden, als es auf der Erde, bspw. mit Explosionsexperimenten oder Höchstdruckpressen nachstellbar ist. Zweitens bewirken Inhomogenitäten und Kristallgrenzen für die Ausbreitung der Schockwelle unterschiedliche Impedanzen, sodass hier Temperatur- und Drucküberhöhungen schon im selben Sample zu unterschiedlichen Effekten und Einschätzungen führen können. Außerdem hab ich derzeit noch nicht so richtig die Möglichkeit Dünnschliffe selbst herzustellen, daher wurden alle Untersuchungen an polierten Anschliffen durchgeführt, sodass die Aussagekraft der Bilder doch recht begrenzt ist.
Mein Hauptziel ist aber eher versnobbt, ich möchte möglichst irgendwelche exotischen Hochdruckmineralien, wie bspw. Ringwoodit, mit dem RAMAN-Mikroskop aufspüren. Mal schauen, zumindest Diamanten in Ureiliten sind ziemlich einfach nachzuweisen.

@Olaf: Diamanten in Ureiliten nachweisen geht ganz gut, bei Lonsdaleit bin ich mir noch nicht so sicher. Ich schreibe heute noch was dazu, muss aber noch fix ein paar Messungen aufbereiten.

Lg Tino

Ps. Jürgen, vllt. kannst du noch mal die folgenden Bilder einordnen, hab jetzt auch noch ein paar ordentliche Skalen drangemacht und den Kontrast optimiert. Ich denke dass es PDFs sind, die Periode der Lamellen ist aber doch eher im 10-15um Bereich. Also vllt. doch schon zu groß? Zumindest meine ich die Kristallwinkel und Orientierung zu erkennen.

[hugojun]

Hallo Tino ,
tatsächlich glaube ich nicht, in diesen Bildern PDF´s zu erkennen. Hierbei handelt es sich ganz sicher um das orientierte Wachstum von Olivin Kristallen in einer BO-Chondre (für Barred Olivine Chondre – Balken-Olivin-Chondre).
Zumindest beim Quarz bleibt nur der Weg über die Dünnschliff - Einmessung. Dies geschieht am U-Tisch und ist einigermaßen zeitaufwendig. Jede einzelne vermeintliche PDF- Linie wird in Draufsicht so ausgerichtet, dass die Spaltline so dünn wie möglich erscheint und zum Fadenkreuz ausgerichtet. So erhält man die benötigten Winkelangaben mit Bezug auf die Kristalline C – Achse. Pro Mineralkorn sollten dann mindestens zwei, besser mehrere Spaltlinien vermessen werden. Anschließend wird aus einer Anzahl von vermessenen Körnern eine Statistik der Indizierung erstellt. Nur bei gehäuftem Auftreten einer bestimmten Orientierung der Spaltfläche, ist die Bildung durch Schock gesichert.
Ob eine derartige Indizierung auf dem optischen Weg am U-Tisch an Olivinen und Pyroxenen bereits besteht oder gelungen ist, ist mir nicht bekannt.
Dennoch ist das Petrographische Mikroskop geeignet, eine grobe Einschätzung der primären metamorphen Vorgänge und darauffolgende Schockeinflüsse einzuordnen.
Den großen Vorteil der Raman Spektroskopie sehe ich in der Identifizierung der Gestein-Gläser und deren Edukte , da sie wegen ihrer optischen Isotropie kaum optische Bestimmungsmerkmale haben.
lG
Jürgen

[TStein]

Hallo Jürgen, hallo Olaf, hallo Alle,

sorry, dass ich es die Woche über nicht geschafft habe zu schreiben.

@Jürgen: Danke für deine Einschätzung hinsichtlich der PDFs, ich denke dass du richtig liegst. Sind wohl doch eher speziell gewachsene Balkenchondren. Hab auch nochmal ein paar Bilder im Netz gesucht und da treten die PDFs als (Mini-)Risse in Erscheinung, welche sich zum Teil auch überlappen. Ist aber auch nicht schlimm, werde diesbezüglich nochmal die Augen offen halten. Leider ist aber bei meinen großflächigen Scans mit dem 10er Objektiv die Auflösung doch nicht ganz so gut, sodass die nur einige Mikrometer-großen Strukturen nicht sonderlich auffallen. Bezüglich RAMAN-Mikroskopie an geschockten Mineralien, wie Olivin und Plagioklas, hab ich aber leider noch nichts anzubieten.
Nur zu den Diamanten in den Ureiliten, aber dazu weiter unten.     

Vllt. vorher noch nochmal ein Ausflug in die Welt der Mikrodiamanten in Ureiliten.
Ureilite sind spezielle Achondrite, welche aber einen ungewöhnlich hohen Anteil an Kohlenstoff aufweisen, vergleichbar den kohligen Chondriten. In diesen Meteoriten ist der Kohlenstoff aber eher in Schmelzadern lokalisiert, anstatt in einer feinkörnigen Matrix, welche sich wahrscheinlich bei ensprechenden Impaktereignissen gebildet haben. Bei diesen Meteoriten tritt der Kohlenstoff dann anstatt als Graphit, oft in Form von Mikrodiamanten, Nanodiamanten, Lonsdaleit (vereinfachtgesagt hexagonaler Diamant) oder als Glassy Carbon, also glasartiger Kohlenstoff auf. Bezüglich Bildung der Kohlenstoff-Modifikationen wird beispielweise eine Abscheidung aus der Gasphase oder entsprechende Schockereignisse vermutet. 

Nun zu den eigentlichen Untersuchungen. Bei meinen Ureilit-Anschliffen gibt es einige, welche sich extrem schlecht sägen lassen und auch Läppen und Polieren ging ziemlich schlecht. Mit SiC als Poliermittel blieben teilweise richtiggehende Gebirge von den dunklen Schmelzadern stehen, mit bis zu 100um Höhe. Selbst mit Diamantsupension als Läpp- und Poliermittel hat sich bei den Dingern fast nichts getan. Ich denke daher, dass sie extrem hart sind und wohl die bekanntermaßen auftretetenden Mikrodiamanten, bzw. das noch etwas härtere Lonsdaleit beinhalten.

Einleitend aber noch ein Vergleich der RAMAN-Spektren eines natürlichen Diamants und Graphit.


Abb1: Mikroskopbild der Schneide eines Diamant-Eindruckstempels, welcher bspw. zur Härteprüfung verwendet wird.


Abb2: (Rechts) - RAMAN-Spektrum des Diamanten. Gut zu sehen ist der sehr intensive RAMAN-Peak bei etwa 1331cm^-1.


Abb3. RAMAN-Spektrum von Kohlenstoff in Form von gewöhnlichen Graphit. Charakteristisch sind der D-Peak (disordered) bei etwa 1350cm^-1 und der G-Peak (Graphit) bei etwa 1600cm^-1.

Morgen gehts weiter.

Lg Tino

[TStein]

Weiter gehts mit den eigentlichen Untersuchungen. Erstmal ein vermuteter Diamant.


Abb5a: Auflichtmikroskopie einer extrem harten erhabenen kohlenstoffhaltigen Struktur an einem Ureiliten - NWA15299, Vergrößerung 20x;


Abb5b: Vergrößerung 40x;


Abb5c: Vergrößerung 150x; Ziemlich in der Mitte ist die deutliche rote Fluoreszenz des diamanthaltigen Materials unter der 531nm-RAMAN-Laserbeleuchtung zu sehen.


Abb5d: RAMAN-Spektrum exakt an dieser Position. Es ist ein diskreter Diamantpeak bei etwa 1330cm^-1 zu sehen, aber auch ein recht breiter Hintergrundpeak bei 1480cm^-1. So richtig zuzuordnen ist der Hintergrundpeak aber nicht.

Als nächstes eine vergleichbare Struktur an einer anderen Stelle.


Abb6a: Auflichtmikroskopie einer extrem harten erhabenen kohlenstoffhaltigen Struktur an einem Ureiliten - NWA15299, Vergrößerung 10x;


Abb6b: Vergrößerung 20x;


Abb6c: Vergrößerung 40x;


Abb6d: Vergrößerung 150x; Wiederum ist in der Mitte deutlich die auffällige rote Fluoreszenz des diamanthaltigen Materials unter der 531nm-RAMAN-Laserbeleuchtung zu sehen.


Abb6e: RAMAN-Spektrum exakt an dieser Position. Der vermutliche Diamantpeak bei etwa 1330cm^-1 ist schwach und deutlich verbreitert, auch die Kurve weist ein paar angedeutete Modulationen auf. Auf das Rauschen der Messdaten ist das aber nicht zurückzuführen, Signal ist genügend vorhanden. So richtig zuordnen kann ich die Messung aber nicht. Mglw könnte es sich hier schon um Lonsdaleit oder Ähnliches handeln. Eine Vergleichskurve von Lonsdaleit ist beispielsweise hier zu finden:
https://www.researchgate.net/figure/Raman-spectrum-of-lonsdaleite-in-quartz-from-Steinigtwolmsdorf-Lusatia-Raman-band-at_fig9_384688691
Passt aber leider nicht so richtig, aber wirklich viel Informationsmaterial zu vergleichbaren RAMAN-Messungen und deren Interpretation habe ich leider noch nicht auftreiben können.

Weiter gehts im nächsten Beitrag.

[TStein]

Anbei noch eine Zusammenstellung von weiteren RAMAN-Spektren vergleichbarer Strukturen von diesem Meteoriten. Die RAMAN-Spektren variieren im 10um-Bereich von Position zu Position schon sehr deutlich, was auch darauf hindeutet, dass es sich im selbst im besten Falle nur um recht kleine Kristalle handelt.
Das Erscheinungsbild im Mikroskopbild ist aber eigentlich immer ähnlich denen im vorherigen Beitrag.


Abb7a: Position 7


Abb7b: Position 8


Abb7c: Position 8


Abb7d: Position 9c


Abb7e: Position 9d

Im nächsten Beitrag kommen noch ein paar Bilder und RAMAN-Spektren von einem polymikten Ureiliten - NWA14228.

[hugojun]

Hallo Tino,
ist es möglich, dass du ein Harz zur Stabilisierung deines Anschliffes verwendest hast?
Dieses könnte für den Peak bei 1480cm-1 verantwortlich sein.

lG
Jürgen

[TStein]

Hallo Jürgen,

nein Harz war definitiv nicht im Spiel. Hab die Politur mit einem Polyurethan-Polierpad mit Diamantsuspension durchgeführt. Abschließend wurde die Probe meiner Meinung nach ausreichend lange mit Wasser abgespült und mit Stickstoff getrocknet. Hätte sie aber auch noch ins Ultraschallbad legen können, hatte aber nicht daran gedacht.
Es ist aber auf den Mikroskopbildern zu erkennen, dass die untersuchten Strukturen zum Meteoriten gehören, also definitiv keine nachträglichen Verschmutzungen oder Poliermittelreste sind.

Lg Tino

[TStein]

Hallo und weiter gehts mit einem untersuchten polymikten Ureiliten - NWA14228.
Polymikt heißt in diesem Zusammenhang, dass der Meteorit nicht aus einer einzelnen Meteoritensorte besteht, sondern aus verschiedenen Meteoritenmaterial mit unterschiedlichen Eigenschaften. Es wird angenommen, dass diese aus der Nähe der Oberfläche des Mutterkörpers stammen und als Breckzie aus Material-Bruchstücken von verschiedenen Meteoriteneinschlägen bestehen.


Abb8a: Übersichtsbild - Stitching mit 10x-Objektiv (XPL). Bildbreite etwa 10mm


Abb8b: Kohlenstoffhaltige Schmelztasche, Position 3a, 10x-XPL


Abb8b: Kohlenstoffhaltige Schmelztasche, Position 3a, 40x-XPL


Abb8c: RAMAN-Spektrum an der zentralen Position



Abb9a: Nadelförmige kohlenstoffhaltige Schmelzader, Position 5a, 10x-XPL


Abb9b: Nadelförmige kohlenstoffhaltige Schmelzader, Position 5a, 20x-XPL


Abb9c: Nadelförmige kohlenstoffhaltige Schmelzader, Position 5a, 40x-Hellfeld


Abb9d: Nadelförmige kohlenstoffhaltige Schmelzader, Position 5a, 150x-Hellfeld


Abb9e: RAMAN-Spektrum an dieser Position

Weiter gehts im nächsten Beitrag.