Terrestrial consequences of hypervelocity impact – shock metamorphism, shock barometry, and newly discovered impact structures

Abstract

Impact cratering was once considered a rare geological process of no, or little, importance to the evolution of the Solar System and planet Earth. After more than 50 years of space exploration and the discovery of numerous (~190 as of October 2016) impact structures on Earth, this view has changed, and it is now clear that impact craters are in fact one of the most common morphological features on solid bodies in the Solar System.

The formation of a (hypervelocity) impact crater involves extreme conditions that cannot be compared with any other natural geological process, with extreme pressures and temperatures causing melting and/or vaporization of both projectile and portions of the target rocks. Upon impact, shock waves are generated at the projectile-target interface, which pass through the target rocks at supersonic velocity. The passage of the shock waves induce irreversible changes, so called shock metamorphic effects in the target rocks, including the formation of high pressure mineral polymorphs, diaplectic glasses, and microdeformation features in minerals. The most investigated of these microstructures are planar deformation features (PDFs) in quartz. These are straight, parallel, closely spaced (2-10 µm apart), sets of (when fresh) glass lamellae only naturally formed by impact cratering. PDFs are oriented parallel to specific crystallographic planes, with the most frequently reported orientations being parallel to low Miller-Bravais index planes (e.g., {10‾13}, {10‾12}). The orientation pattern of a PDF population differ depending on the pressure that the host quartz grain was subjected to, meaning that the orientations of PDFs can be used as a shock barometer, allowing e.g., production of shock barometry profiles that illustrate shock attenuation at impact structures.

The research presented in this thesis focuses on impact craters, and the process by which they form, impact cratering, with special emphasis on shock metamorphic features in target rocks at the Siljan impact structure (Sweden). The results and discussion highlight the importance of the way datasets of PDF statistics are obtained and processed, using manual and/or automated methods of indexing. The interpretation of the dataset can influence the shock barometry models, and the need for a unified method is discussed.

With regards to the Siljan impact structure, the pre-erosional rim-to-rim diameter of the crater was estimated to be on the order of 60 km, based on a combination of shock barometry and numerical simulation, produced by a collision between a ~5 km diameter projectile and Earth. Results of the numerical modeling are consistent with a sedimentary thickness overlying the crystalline basement at the time of impact of ~2.5 km, and post-impact erosion of the crater on the order of 3 to 3.5 km.

The thesis also encompasses studies of two other, newly confirmed, Swedish impact structures, Målingen and Hummeln. The possible means of formation for both Målingen and Hummeln had been discussed for many years before the first bona fide evidence for the impact origin of the two structures was presented in papers included in this thesis.

Furthermore, terrestrial impact structures with reliable ages (i.e., errors on age of less than 2 %) are discussed in the context of possible variations in the impactor flux to Earth over time. According to the results, there is presently no evidence for the existence of a periodic contribution to the terrestrial impact population.

Abstract (Swedish)

Svensk sammanfattning
Efter mer än 50 år av utforskande av rymden och studier av ett växande antal kända nedslagskratrar på jorden så har bildandet av nedslagskratrar utvecklats från att anses vara en sällsynt geologisk företeelse till en fundamental del av jordens, och solsystemets, historia.

I dag vet vi att nedslagskratrar är en av de vanligaste landformerna på himlakroppar i inre solsystemet, samt på de flesta av gasplaneternas månar och de isiga kropparna i Kuiperbältet. På jorden förstörs nedslagskratrar av destruktiva processer så som plattektonik och erosion, eller döljs av yngre sediment, vegetation eller vattenmassor. Men faktum är att vår jord och de andra kropparna i inre solsystemet till och med bildades genom upprepade kollisioner mellan små partiklar. Dessa växte sig större och större under solsystemets tidiga historia för att bilda protoplaneter. Vår måne bildades sedan genom en enorm kollision mellan den tidiga jorden och en himlakropp stor som planeten Mars. Efter de första dramatiska hundratals miljoner åren i jordens historia som präglades av frekventa kollisioner med andra himlakroppar så stabiliserades inflödet av kraterbildande kroppar till jorden och mer konventionella geologiska processer så som bergskedjeveckning och vulkanism tog över som dominerande landformsbildare. Det här betyder dock inte att nedslagsprocessen har avstannat, den är högst aktiv, något som till exempel kan illustreras av kollisionen mellan kometen Shoemaker-Levy och Jupiter 1994, och den kommer att fortsätta att vara det i framtiden.

Bildandet av en nedslagskrater innefattar extremt höga tryck och temperaturer som inte kan uppnås under någon annan geologisk process, och som inte heller till fullo kan återskapas i experiment. Det här kan illustreras av den enorma förödelsen som nedslaget i slutet på kritperioden resulterade i, då bland annat dinosaurierna dog ut. Eftersom en kollision mellan jorden och en annan himlakropp stor nog att bilda en stor nedslagskrater aldrig någonsin har bevittnats av människan, är vi beroende av studier av kända nedslagskratrar för att förstå den här betydelsefulla, och grundläggande, processen.

Forskningsresultaten som presenteras i den här avhandlingen kretsar kring nedslagskratrar och de processer som råder vid bildandet av dessa strukturer. Genom fältobservationer, mikroskopstudier och numerisk modellering så har Europas största nedslagsstruktur Siljan, belägen i Dalarna, undersökts. I dag är Siljanstrukturen djupt eroderad efter att ha varit exponerad på jordytan under årmiljoner. Trots detta så finns mineralogiska strukturer bevarade i berggrunden i området som vittnar om de extremt höga tryck och temperaturer som rådde när kratern bildades. I avhandlingen undersöks så kallad chockad kvarts för att karakterisera dess utbredning och bestämma de chocktryck som målberggrunden i Siljan utsattes för vid nedslaget. Med hjälp av de uppskattade chocktrycken och numerisk modellering så har vi kunnat rekonstruera den ursprungliga nedslagskratern och bland annat bestämt dess storlek till 60 km i diameter, samt att den bildades av en projektil som var ungefär 5 km i diameter. Vi bedömer också med hjälp av resultaten, att den kristallina berggrunden i nuvarande Siljansområdet vid tidpunkten för nedslaget överlagrades av ungefär 2,5 kilometer sediment, samt att det idag saknas ca. tre kilometer av strukturen på grund av erosion. I avhandlingen presenteras också bevis, i form av chockad kvarts funnen i målberggrund, för att strukturerna Målingen (Jämtland) och Hummeln (Småland) är bildade genom nedslag.

Vidare diskuteras även observationer och problem associerade med inmätningar och presentation av chockad kvartsdata. Dataseten är viktiga både för identifiering av nedslagskratrar samt för bestämning av chocktryck.

Dessutom presenteras också en artikel som diskuterar större frågeställningar rörande inflödet av kraterformande kroppar till jorden under de senaste 500 miljoner åren. Genom analys av väldaterade nedslagskratrar kan vi dra slutsatsen att det i dagsläget saknas bevis för en cyklisk eller periodisk influens i inflödet av projektiler till jorden.

• author: Alwmark, Sanna
• supervisor: Ulf Söderlund; Ludovic Ferrière; Matthias Meier; Anders Scherstén
• opponent: Prof. Dr. Kenkmann, Thomas, University of Freiburg, Germany
• organization: Lithosphere and Biosphere Science
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences
• keywords: Impact cratering, Impact structure, Shock metamorphism, Shock barometry, Quartz, Planar deformation features, Siljan, Målingen, Hummeln
• in: Litholund theses
• issue: 28
• pages: 138 pages
• defense location: Geocentre II, lecture hall “Pangea”, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2016-12-02 09:15:00
• ISSN: 1651-6648
• ISBN: 978-91-87847-29-5
• ISBN: 978-91-87847-28-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 53b29a6e-7465-4737-81c9-a998007c9d47
• date added to LUP: 2016-10-27 12:53:30
• date last changed: 2018-11-21 21:26:53