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1~. BRINKMANN - - Geffige und Vulkantektonik im Vogelsberg (Niederhessen)
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Neue Beobachtungen im NiJrdlinger Ries
V o n W . v. ENGELHARDT, Tfibingen *)
Mit 21 Abbildungen, davon 15 auf Tafeln und 8 Tabellen
Zusammenfassung
Es wird fiber die Ergebnisse einiger neuer Untersuchungen ira Ries berichtet. Der Umri/3 des Beckens ist nicht kreisnmd, sondern, (lurch ~tere StSrungen
bedingt, polygonal. Eine Wasserscheide, die das Becken rings umgibt, ist wahr- scheinlich der i]berrest eines Kraterwalls. Die fiSJher sehon bekannten negativen Anomalien der Schwere und der erdmagnefischen Totalintensitat wurden dutch priizisere Messungen best~tigt. In Ubereinstimmung mit den magnetischen Mes- sungen haben die TiePoohrungen yon Deiningen i und WSrnitzostheim erwiesen, dal3 unter den terti~iren Seesedimenten eine zusarnmenhangende Suevitdecke liegt.
Mineralogtsche und chemische Untersuchungen des Suevit zeigen, dab dleses Gestein von vulkanischen Bildungen deutlich unterschieden ist. Es werden ty- pische De~ormationen und Umwandlungen verschiedener Minerale beschrieben, die nut durch Sto/3wellen hoher Intensit~it (100 kbar bis fiber 50Okbar) hervor- gebracht sein k6nnen.
Da bis heute keine andere Quelle ~ir solche Stol3wellen bekannt ist, mu/3 man annehmen, dab das Ries dutch den Einschlag eines gro/3en Meteoriten ge- bildet wurde.
Abstract
A report is given about the results of some new investigations in the Ries basin, Germany.
The outline of the basin is polygonal, probably due to older fault lines. A watershed around the basin is the remnant of a raised rim. Negative anomalies
*) Anschrift des Veffassers: Prof. Dr. W. v. ENC~Lrt~DT, Mineralogisch-Petro- graphisches Institut der Universit~it Tfibingen, (74) Tfibingen (Wfirtt.), Wilhelm- strabe 56.
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Aufsatze
of gravity and magnetism, already known from older observations, have been eonfirmed by more precise measurements. In accordance with the magnetic measurements, deep drillings at Deiningen and WSrnitzostheim have proved that the Tertiary lake sediments, filling the basin, are underlain by suevite.
Mineralogieal and chemical investigations of the suevite have shown that this ro& is clearly distinguishable from volcanic tuff. Typical deformations and trans- formations of minerals are described, which indicate the action of high intensity shock waves (100 kbar up to more than 500 kbar).
Because no other source for shock Waves seems to be available it must be assumed that the Ries basin was formed by meteoritic impact.
R6sum6
Voici certains r6suhats de nouvelles recherehes faites dans le bassin du Ries en Allemagne:
La eirconf6renee du bassin n'est pas cireulaire. Elle est polygonale, probable- ment A cause de failles plus ancicnnes. I1 y a u n e ligne de partage des eaux autor du bassin qui est, selon toute vraisemblanee, le reste d'uu rempart de erat6re. Les anomalies n6gatives de la pesanteur et eelles du magn6tisme, d6ja eonnues par des observations pr6e6dentes, ont 6t6 eonfirm6es pax des mesurages plus pr6cis. Les r6sultats des forages de D'einingen et de Wtirnitzostheim, con- formes A ceux obtenus par des mesurages magn6tiques, ont prouv6 que le suevite forme la base des s6diments lacustrins tertiaires remplissant le bassin.
Les investigations min6ralogiques et chimiques au sujet du suevite montrent que eette roche est bien discernable des tufs volcaniqnes. On d6erit de certaines d6formations et transformations typiques de divers min6raux qui ont dfi ~tre produites par l'action des ondes de ehoe de grande intensit6 (100 jusqu'A plus de 500 kbar).
Puisqu'on ne eonnalt pas d'autre source des ondes de ehoe on dolt supposer que le tties a 6t6 form6 par le ehoc d'un grand m6t6orite.
RpaTRoe co~epamuHe ABTOp cooSI~aeT o peay~iBTaTax HOBBIX ~ICCSte~oBaH~f~ B N6rdlinger I~ies
OuepTam~u 6accefi~a~te ~pyra~e, a imai~ronaa~m,~e. Bo;~opaanea, oRpy~a~olim~ 5accef~H, gBa~eTe~, BeponTgO, OCTaT~;O~ RpaTepa. I/IaBeeT~Bm panee OTpI~Ia- Tea~H~ie a~oMaaH~ IIOATBep~I~eHbI. C ImMOTJ~MO M~epaaorg~eet;~IX M x~- M~neeR~zx ~ee~eaoBa~I~f~ MOm~O OTa~qaT~ eyeB~T OT ByanaH~t~Iee~;~x o6paao- Banffs. On~ean~ ~gni~q~Isie ~e~opNai~i~ ~ npeoSpa~oBa~ia pasa~mHNX M~mepaaoB, ~o~op~e, no ~He~mo aBTopa, eo~;m~c~ BoaI~aM~ ~ a B n e i ~ Bt, mO~O~X ~HTeHe~BHOeTI~ (100-->500 n6ap). A~Top npe)~no~IaraeT, nTO Ries oSpaao~a~ie~ B peayxbTaTe n a ~ e ~ 6ox~,moro MeTeopa.
I. Einleilung
Mehr als hundert Jahre lang haben Geologen versueht, auf Grund yon Beobachtungen im Gel~inde eine ErklS_rung fiir die Entstehung des NSrd- linger Ries und seiner merkw/h-digen Gesteine zu finden~). Es wurden mehrere Theorien aufgestellt, denen bei aller Versehiedenheit ein Kenn- zeiehen gemeinsam war: die beispiellose Einmaligkeit des angenommenen
1) Zusammenfassende Darstellungen der Literatur fiber das Ries, der Ries- theorien, der Morphologie und der Gesteine des Ilies: DORN (1948), PREUSS (1964).
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W. v. ENGELHARDT - - N eue Beobachtungen im N6rdlinger Ries
Riesereignisses, ffir das es sonst auf der Erdoberfl~che oder in der geo- logischen Vergangenheit kein Analogon gab. Das charakteristische Ries- gestein erhielt von SAVER (1901) don Namen Suevit, um auszudrticken, dab eine solche Formation allein aus Schwaben bekannt war und im petro- graphischen System keinen rechten P]atz land.
Seit einigen Jahren hat sich durch verfeinerte Untersuchungsverfahren, durch neue theoretische Entwicklungen und dutch Erfahrungen auf an- deren Kontinenten die Situation ge'2ndert: Man kennt heute rtmd 50 ahn- liche Sta'ukturen auf der Erdoberfl~che (BALDWIN 1968; D~ETZ 1968; SHORT 1966). Eine Reihe solcher Krater auf dem canadischen Schild sind ein- gehend dutch geophysikalische Messungen und vide Tiefbohrungen unter- sucht worden (B~ALS u.a. 1968; DENCE 1965; BEALS & I-IALLIDAY 1965; INNES, DENCE, ROBERTSON im Druck). Man weil3 nach dot mineralogischen Untersuchung der in solchen Kratern vorkommenden Gesteine und Trtim- mermassen, dab sie durch Ereignisse erzeugt wurden, bei denen StoB- wellen yon mindestens vielen hundert Kflobar auf die Gesteine wirkten. Es ist sch]ie/31ich sehr wahrschein]ich, dab mindestens ein Tefl der Krater auf der Oberflache yon Mend und Mars ~hnlichen Ursprungs sin&
Damit ist das N6rdlinger Ries von einem einmaligen Kurosinm zu einem Objekt der Wissenschaft geworden, dem allgemeine Bedeutung zukommt, weil in ibm der bisherigen Ceologie unbekarmte Ereignisse studiert wer- den kSnnen, welctae die Oberfl~che der Erde, des Mondes und anderer Planeten geformt haben. Eine neue Epoche der Riesforschung hat be- gonnen, in der es nur einen Fortschritt geben kann, wenn man alle ein- schl~gigen methodischen und theoretischen Hflfsmittel anwendet, die den /ilteren Forschern nicht zur Verfiigung standen. Mag anch vieles unklar sein, so steht doch jetzt schon fest, dab alle Theorien, die die Bildung des Ries auf vulkanische Vorg[inge zur/ickffihren, den neuen Argumenten nicht standhalten.
Zu erkl/~ren ist n/imlich vor allem das Auftreten von StoBwellen mit Spitzen- drucken von vielen hunderttansend Atmosph~iren. Da ffir diese bis heute keine andere Quelle bekannt ist als der Aufprall eines extraterrestrischen KSrpers, ist es zur Zeit die einzig brauchbare Arbeitshypothese, dab das NSrdlinger Ries wie andere Llanliche Strukturen durch den Einschlag eines grol3en Meteo- riten gebildet wurde. Der Gedanke, das Ries und iibrigens anch das Becken yon Steinheim durch den Einschlag eines extraterrestris&en KSr- pers zu deuten, wurde schon fr0h ge/iul3ert (WERNER 1904; STUTZER 1986; Steinheim: lqOrlLEDER 1988). Damals kormten freflich nur Vermutungen ausgesprochen werden, da man allein auf Feldbeobachtungen angewiesen war und genanere Untersuchungen der Gesteine fehlten. Die Ab]ehnung der Geologen war eirdaellig (vgl. z. B. HENNIG, BENTZ &= AHRENS 1936; KaANZ 1987), und his heute hat sich ein Widerstand gegen die Meteoritentheorie erhalten, der wohl verst~ndlich ist: Diese Theorie verst613t n/imlich entschie- den gegen den allgemein anerka~mten Grundsatz des Aktualismus, nach der man die Formationen und Formen der Erdoberfl~che ,,allein der Wirkung derjenigen Kr/ifte zuschreiben darf, durch die man noch jetzt alle und jede Naturerscheinung hervorgebracht sieht". (K. von HoFF, zitiert nach BRINK-
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Aufsatze
MANN 1964, S. 89.) Mit der Meteoritentheorie ist man in der Tat in der schwie- rigen Situation, die HUTTON (1795, zitiert nach BRINKMANN, 1964) durch die Frage kennzeichnet: ,,But how shall we describe a process which nobody has seen performed, and of which no written history gives any account?"
Man kSnnte nun meinen, dal3 unter diesen Umst/inden ein Bericht fiber das Ries schlecht in den Rahmen einer Tagung paBt, die den Problemen des Vulkanismus gewidmet ist. Dazu ist zu sagen, dab es gewisse Xhnlichkeiten der Gesteine und der Morphologie des Ries zu vulkanischen Bfldungen und Formen waren, die den Anlal3 zu vulkanischen Ptiestheorien gaben. Es kommt heute darauf an, sowohl die Xhnlid~keiten wie auch die Ver- schiedenheiten zu bestimmen, welche zwischen sicher vulkanogenen Mine- fallen, Gesteinen und Strukturen einerseits und Formationen und Formen andererseits bestehen, welche die Anzeichen von StoBwellen hoher Energie enthalten. Die charakteristischen Gesteine des Ries sind in allen Jabren der Riesforschung mineralogisch nur sehr unvollkommen untersucht worden, und fiber den tieferen Ban der Struktur ist nut weniges bekannt. Daher ist noch viel Arbeit zu leisten, bei der die Mitarbeit und die Kritik yon Vulkano- logen dringend erw~inscht ist.
Im Sinne eines solchen Programms mSchte ich fiber die wichtigsten neuen Beobachttmgen im NSrdliger Ries und fiber neue Fragestellungen berich- ten, die sich auf deren Basis ergeben. Ein erster Teil des Berichts so]l die Gestalt des Rieskraters, ein zweiter die Petrologie der Riesgesteine be- handeln.
II. Gestalt des Rieskraters
Die bisherige Riesforschung war im wesentlichen Feldgeologie. In vielen Abhandlungen und in den geologischen Kartenbliittern im MaBstab 1:25 O00 ist die Feldarbeit mehrerer Geologengenerationen niedergelegt (vgl. hierzu die Ubersichten yon DoRN 1948 und PREUSS 1964). Dieser Schatz yon Erkenntnissen bleibt auch ffir die Zukunft yon unverlierbarem Wert, da jede Theorie tiber die Entstehung des Riesbeckens yon der Ge- stalt dieser Struktur ausgehen mul3, wie sie sich zun5cbst einmal in der geologischen Karte darstellt.
Bei dem Versueh jedoeh, die vorliegenden Feldbeobachtungen unter neuen Gesichtspunkten zu priifen und zusammenzustellen, finder man aufs Neue best/itigt, dab jede geologische Kartierung theoretische Entsdlei- dungen voranssetzt. Da in der Karte nicht die gauze Wirklichkeit schlecht- bin dargestellt werden karm, bedarf der kartierende Geologe leitender Prinzipien, nach denen Wesentliches yon Unwesentlichem unterschieden und die auf der Karte auszuscheidenden Formationen definiert werden kSnnen. Von allen Geologen, die im Ries arbeiteten, hat bisher keiner eine Meteo- ritenhypothese ernsthaft in Erw~igung gezogen. So komrnt es, dab sich im Lichte einer solchen Theorie trotz aller geleisteten Arbeit erneut Fragen ffir die Feldgeologie stellen. Auf einige dieser Probleme sei im folgenden eingegangen.
An der Oberfl5che ist vor allem die genaue Lage des Riesrandes yon Bedeutung. Der Riesrand ist diejenige Linie, welche das Riesbecken be-
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W. v. ENGELHAtlDT - - Neue Beobachtungen im NSrdlinger tlies
grenzt und an der die noeh im urspriingliehen Verband stehenden, nur wenig verstellten oder deformierten Schichten des Weil3en und Braunen Jura beginnen, welche die umgebende Landsehaft aufbauen. In der Lite- ratur findet man verschiedene, mehr oder weniger sehematische Darstel- lungen des Riesrandverlaufs. Der in Abb. 1 dargesteUte Entwurf beruht
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Abb. 1. NSrdlinger Ries. Punktiert: Die meist mit tertiiiren Siil3wasserkalken bedeckten Schollen der ~iul3eren Kraterzone. D: Deiningen, G: Gosburg b. Gos- helm, W: W6rnitzostheim, Wa: Wallerstein, Ws: WSssingen. Gestrichelt: Schnitt-
linie, Abb. 8.
auf den vorliegenden geologisehen Karten und eigenen Beobaehtungen. Er bedarf im einzelnen sieherlieh noeh maneher Korrekturen. Es ist jedoeh eine unbezweffelbare Tatsaehe, dab der Umril3 des Beekens keinesfalls kreismnd, sondern deutlieh polygonal ist. Dies ist keine Besonderheit vul- kanogener Krater. Auch der Meteorkrater in Arizona und Meteoritenkrater auf dem eanadischen Schild haben eine polygonale Form, weil ~iltere StS- rungen und Sehw~ichezonen die Gestalt der Einsehlagkrater mit bestimmt haben. Im Hies ist der gerade, SO streichende Verlauf des Ilandes im
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Aufs~Ltze
S~idwesten ohne Zweifel dureh die Egerverwerfung bei Bopfingen bedingt, welehe in derselben Rieht~ang verlauft und die nSrdliehe Seholle bis zu 80 m gegen die s/idliehe absenkt (MONzING 1954). Der NS-Verlauf des 6st- lichen l~iesrandes bei Wemding ist vielleieht dureh eine in derselben Rich- tung verlaufende St6rung bestimmt, welehe SCHR~DER und DEHM (1950) weiter im Siiden l~ings des Ellertales vermuten.
Die Gestalt des Rieskraters wurde sieherlieh aueh dureh die pr~iriesisehe Morphologie, insbesondere dureh die Lage des Albtraufs zur Zeit der Rieskatastrophe und dureh die Gestalt der FluBfiiler in jener Zeit bestimmt. Die heutige Lage des Albtraufs ist in der Karte vermerkt. Die Frage ist, wie e rvo r 15 Mfllionen Jahren im Gebiet des heutigen Riesbeekens ver- fief. Jedenfalls bildete sieh der Krater in einem Gebiet, das in seinem nSrd- lichen Teil ni&t von den harten WeiBjurakalken bedeekt war. Bei der Re- konstruktion der Kraterbildung ist diese Unsymmetrie der Unterlage zu ber~ieksiehtigen.
Eger und W6rnitz benutzen bei ihrem Eintritt und Austritt aus dem Ries alte T~iler, welehe vom Riessehutt zun~iehst versehlossen waren und sp~ter ausger~inmt wurden. AuBerdem kann man am steilen Siidrand des l~ies einige kleinere T~iler erkennen, die sieherlieh alt sin& Sie enthalten heuto noeh mehr oder weniger groBe Reste der Massen, mit denen sie bei der Riesbfldung erfiillt wurden. Dies gilt fiir das IRohrbaehtal westlieh Utz- memmingen, f@r die T~ilehen der Altenbfirg und der Talmfihle westlieh Edorheim und ffir das Tal yon Christgarten. Wie stark die Erosion gewirkt hat, kann man daran erkennen, dab auf den WeiBjurahShen zwisehen die- sen heute noeh z.T. sehuLtgeffillten alten Senken kaum Triimmermassen zu finden sind.
Kleinere Meteoritenkrater, die noeh nieht allzu stark von der Erosion abgetragen sind, wie der Meteorkrater in Arizona, der New-Quebee-Krater in Canada, die Henbury-Krater in Australien und die Wabar-Krater in Arabien, haben einen erh6hten Kraterwall, der nur z.T. aus ausgewor- fenen Tr~mmermassen besteht und im wesentliehen dureh die aufgeho- benen und steilgestellten Gesteine der an der Oberfl~tehe anstehenden For- mationen gebildet wird. Eine solehe Aufw61bung ist am iRiesrand jeden- falls nieht deutlieh siehtbar.
JOHNSOn- und VAND (1967) haben naeh einem statistisehen Verfahren eine Mittelung tiber zahlreiehe Sehnitte dutch das Riesbeeken ausgef~ihrt und glauben auf diese Weise, 8 Kraterw~ille naehweisen zu k~nnen.
Es ist die Frage, ob KraterwSlle dureh eine solehe Mittelbildmag sieher naehgewiesen werden k6nnen. Erwfinseht w~ire eine detaillierte und syste- matisehe morphologisehe Untersuehung. Ein Anstieg der Weildjurasehieh- ten zum Riesrand hin wurde yon versehiedenen Beobaehtern bemerkt (WAcNER 1957). Die Betraehtung des Gew~ssemetzes fiihrt zu einer inter- essanten Feststellung: der Rieskessel ist rings von einer Wasserseheide um- geben, die im Sfiden 1--2 km, im Norden bis zu 5 km vom Rand entfernt ist (Abb. 1). Es sehe~nt, dab sieh in dieser Wasserseheide ein sehwaeher Kraterwall andeutet. Auf keinen Fall besitzt oder besaB jedoeh der Ries- krater einen so ausgepriigten Wall wie die genannten kleinen Krater. Ver-
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W. v. ENGELHARDT - - Neue Beobachtungen im N6rdlinger Ries
mutlich ist dies einer der Unterschiede zwischen kleinen und grol3en Me- teoritenkratern.
Die Kleintektonik des Riesrandes wurde zuletzt von WAGNER (1964) unter- sueht. Interessant sind die Anzeichen horizontaler, d. h. schiehtparalleler Ver- sehiebungen, die schwer zu beobachten sind und daher vielleicht ein grSl3eres Ausmag haben, als man annimmt. MONZING (1954) beschrieb am Westrand schiehtparallele tektonische Breccien.
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Ries
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magnetische Totatintensit~t �9 0/,700 cg$
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D Deiningen
W W6rnitzostheim
Abb. "2. Anomalien der Schwere ( J u N G und MENZEL 1965) und der magnetischen Totalintensit~it (ANGENHE~STER nnd POHL 1966) im NSrdlinger Ries. Die dieke Linie
bezeiehnet den Riesrand (vgl. Abb. 1).
Den tieferen Bau des Rieskraters k6rmen nur geophysikalische Messun- gen und Tiefbohrungen aufklaren. Auf die seismisehen Untersuehungen yon REICH 8~ HORRIX (1955) sei hier nut kurz hingewiesen, da daN Mfin- ehener Institut (Prof. ANGENHEISTER) in Kfirze die Ergebnisse neuer seis- miseher Arbeiten vorIegen kann.
F/ir die Sehwereanomalie im Riesbeeken liegen neue Messungen von JUNG und MENZEL (1965) vor, fiir die magnetische Totalintensit~it haben ANGENHEISTER 8~ POHL (1966) neue Ergebnisse vorgelegt. In der Abb. 2 sind die wiehtigsten Resultate dieser Arbeiten zusammengefaBt.
Im Riesbecken existiert, wie in allen Meteoritenkratern, eine negative Sehwereanomalie, die man auf die relativ geringe Diehte der beckenffil-
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Aufs~ttze
lenden Seesedimente, der darunter liegenden Breeeien und die Zerrfittung und Aufloekerung des Untergrundes zuriiekfiihren muB. Merkwfirdig ist es, dab das Minimum der Sehwere gegen die morphologisehe Beekenmitte naeh N versehoben ist.
Die negative Anomalie der erdmagnetisehen Totalintensit~it ist im Be- reieh des Riesbeekens deutlieh, wenn aueh im einzelnen reeht kompliziert. An zahlreiehen OberflSehenanfsehliissen wurde festgestellt, dab die Suevit genannte, glasbombenfiihrende Breeeie durehwegs invers magnetisiert ist. Da in den Tiefbohrungen Deiningen und W6rnitzostheim unter den See- sedimenten ebenfalls invers magnetisierter Suevit angetroffen wurde, mul3 man sehliel3en, dab die negative magnetisehe Anomalie durch eine Suevit- sehieht weehselnder M~iehtigkeit hervorgerufen wird, die im ganzen Ries- beeken die Unterlage der tertfiiren Seesedimente bildet. Der invers ge- riehtete Vektor der remanenten Magnetisierung des Suevit entspricht der Riehtung des magnetisehen Erdfeldes zur Zeit des Riesereignisses vor 15 Millionen Jahren (Obermioz~in).
Die Morphologie der Oberfl~ehe und die Ergebnisse der ~ilteren seis- misehen Messungen lassen die Gliederung des Ries in ein zentrales Beeken und eine ~iuBere Randzone erkennen (Abb. 1). Die Oberfl~iehe des zen- tralen Beekens ist eben und flaeh. Im Siiden, Westen und Siidosten wird es von einem Kranz yon H/igeln umgeben, die mit Siigwasserkalken be- deekt sind und in ihrem Inneren meist einen Kern aus kristallinen Tr/im- mermassen erkennen lassen. Augen sehlieBt sieh bis zum tliesrand eine randliehe Zone mit unruhigem Relief an, in der neben Seesedimenten die versehiedenen Trfimmergesteine des flies vorkommen.
Bis heute wurden im flies zwei Tiefbohrungen niedergebraeht, deren Lage in Abb. 1 verzeiehnet ist. Die von der Deutsehen ErdN AG 1950 ab- geteufte Bohrung Deiningen 1 liegt im zentralen Becken. Die 1965 von der Deutsehen Forsehungsgemeinsehaft finanzierte Bohrung W6rnitzostheim wurde in der ~iul3eren Randzone auf einer ~Srtliehen besonders starken ne- gativen magnetisehen Anomalie angesetzt. Die beiden Bohrprofile sind in einem Sehnitt (Abb. 8) dargestellt, dessen Lage, quer durch das ganze Riesbeeken, in Abb. 1 angegeben ist.
In der Bohrung Deiningen 1 (vg]. Tab. 1) wurden unter 9,90 m terti~ren Seesedimenten etwa 60 m einer Breeeie durehbohrt, die vorwiegend kristal- line Gesteine und stark zersetzte Glasbomben enth~ilt. Sie entsprieht dem vonder Oberfl~iehe her bekannten Suevit. Die Kerne der Bohrung wurden von MOSEBACH (1964) und neuerdings von F6RSTNER (1967) mineralogiseh- petrographiseh untersucht.
In der Bohrung W6rnitzostheim (vgl. Tab. 1) traf man 18 m tertfiire See- sedimente und darunter 87 m Suevit mit gut erhaltenen Glasbomben. Unter dem Suevit folgen 1,8 m Granit, 5 m Keupersandstein und -letten und etwa 70 m Opalinuston (Dogger), in dem die Bohrung eingestellt wurde. Unter dem Suevit kommen also diejenigen Gesteine vor, welche an der Ober- fl~iehe die Bunte Breeeie aufbauen. Die fleihenfolge der Formationen scheint auf den Kopf gestellt. Die starke magnetische Anomalie von W6rnitzostheim wird dureh den ungew~ihnlich m~iehtigen Suevit hervor-
172
W, v. ENGELHARDT - - Neue Beobadatungen im NSrdlinger Ries
Tab. 1. Profile der Bohrungen Deiningen 1 und WSrnitzostheim
Deiningen 1) W6rnitzostheim 2) BituminSse Bl~tttertone und Mergel
Sandige Mergel
Sandige Mergel mit umgelagertem Suevit
Aufgearbeiteter Suevit
Schwach umgelagerter Suevit
Suevit
280,2 m 11,2 m
289,1 m 18,1 m
296,0 m 16,4 m
810,5 m 19,7 m
380,0 m 25,0 m Endteufe 850,4 rn
100,9. m Zerbrodaener rStlicher Granit
Keupersandstein und -letten
Grauer Ton
Opalinuston (Dogger)
1) 13earbeiter NATHAN, WILL und GROTZINGER. ~) Bearbeiter GRAUP.
101,5 rn
106,7 m
118,5 m
Endteufe 180,5 m
gerufen. Aueh ffir diesen Suevit liegt jetzt eine petrographische Untersu- chung yon F6aSTN~R vor. Die ebenfalls in den Schnitt eingeffigte Wasser- bohrung Wallerstein (NATaAN 1957) traf unter 29 m Seesedimenten 87 m kristalline Breccie.
In dem iiberh6hten Schnitt (Abb. 8) ist angedeutet, wie das yon den Aufragungen kristalliner Triimmermassen begrenzte zentrale Becken etwa aussehen mag, das yon den Sedimenten des terti~ren Sees geffillt wurde. Es hat einen Durchmesser von 12 km und eine maximale Tiefe yon nur 290 m. Dabei ist zu bedenken, dal3 die tonig-mergeligen Seesedimente durch die Kompaktion viel yon ihrem urspr/inglichen Volumen verloren haben. Wie grol3 der Volumenschwund ist, karm erst nach Porosit~itsmes- sungen an einen vollst~indigen Profil der Sedimente abgesch~itzt werden. Das urspriingliche Sedimentvolumen kann sich gut um die Halfte ver- ringert haben. Aul3en schlieBt sich die ~iul3ere Bandzone an, fiber deren inneren Bau noch nichts bekannt ist. Der ~iul3ere Durchmesser des Beckens betr~igt etwa 24 kin.
Am Rande von Abb. 8 sind die M~ichtigkeiten der Sedimentschichten nach Angaben yon MONZlNG (1954) und WEBEn (1958) verzeichnet. Da die- selben aus Beobachtungen an Tagesaufschlfissen im nSrdlichen Gebiet ab- geleitet wurden, m6gen sie ffir den Sfiden vielleicht nicht ganz zutreffend sein. Deutlich ist aber das Einfallen der Schichten von N W nach SO, das sich von Riesrand zu Riesrand doch schon deutlich bemerkbar macht. So ist aueh in dieser Hinsicht die Unterlage, auf der der Rieskrater sich bildete, unsyrnmetrisch gebaut.
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W. v. ENGELHAIlDT - - Neue Beobaehtungen im N/Srdlinger t/ies
lich, dab im Zentrum des Rieskraters aueh eine zentrale Aufw61bung be- steht. Kleinere Krater (< 10 km Dttrchmesser), wie der yon Arizona, von New Qu6bee (Canada), Brent (Canada) und Holleford (Canada), haben sehr viel steilere B6schungen nnd keine zentrale Aufw61blmg. Auch hier wird der versehiedene Baustil kleiner (Dtlrchmesser < 10 km) und groBer Meteoritenkrater deutlieh (DENc~ 1965), ZU denen das tlies geh6rt.
III. Petrologie der Biesgesteine
Noch sind die Kenntnisse fiber die Gestalt des Riesbeckens zu ungenau, urn aus der Morphologie allein mit Sieherheit die Vorg~_nge zu rekonstru- ieren, die diese merkwfirdige Struktur hervorbrachten. Eine modellm~dDige Berechnung der Vorg~inge, die beim Aufschlag eines Meteoriten zu erwar- ten shad, der einen Krater yon der GrNDe des Riesbeekens erzeugen wiirde, hat DAVID (1966) ausgeftihrt. Theoretische f)berlegungen dieser Art k~nnen vorerst nur einen allgemeinen Rahmen geben. Sie mtissen dureh die Er- gebnisse mineralogischer Untersuchung der bei der Bildung des Ries ent- standenen Breccien und Tr/immermassen erg~inzt werden. Diesen Ries- gesteinen, wie sie abk/irzend genannt sein m6gen, miissen n~imlieh die Spuren des Ereignisses, welches sie hervorbrachte, eingepr~gt sein. In den letzten Jahren hat es sich erwiesen, dab es m6glieh ist, diese Zeiehen zu lesen und zu interpretieren. Es ist kennzeichnend ftir die bisherigen, allein auf Gel~indebeobachtungen aufbauenden Riestheorien, dab es keine grtind- liehe petrographische Bearbeitung der Breeciengesteine des l~ies gab. Die Untersuehungen der Glasbomben yon SAWR (1902) und des Suevit yon O~EI~DO~F~I~ (1905) bieten manche interessante Einzelheiten, k6nnen aber neueren Ansprtichen nicht gentigen. Die Arbeiten veil L6FFLEI~ (1912) und ACKEI~MANN (1958) befassen sieh haupts~ehlich mit den gr6Beren, wenig zerst6rten Kristallinmassen.
Man kann verschiedene Gruppen von Riesgesteinen unterscheiden (vgl. hierzu PREUSS 1964): K a l k s e h o l l e n u n d K a l k g r i e s e shad aus den WeiBjurakalken hervorgegangen. Die B u n t e B r e c e i e enth~lt neben eiDer geringen Beimengung yon kristallinem Material alle Sediment- gesteine, vornehmlieh Dogger, Lias und Keuper, in wechselnden Mengen- verh~iltnissen. K r i s t a l 1 i n e T r/i in m e r m a s s e n bestehen entweder aus z. T. riesigen Massed einheitlieher kristalliner Gestehae, z.T. aus bree- ei6sen Gemengen verschiedener Gesteine des kristallinen Untergrundes. Die S u e v i t genannte Breeeie enth~lt neben einem geringen Antefl von Sedimenten kristallhae Gesteine in versehiedenen Stadien der Umwand- lung und Aufsehmelzung sowie die als Fladen oder Fl~idle bekannten Glasbomben.
Die kristallinen Triimmermassen finden sich vorzugsweise in den Rand- h6hen um das Zentrum und ha der/iuBeren Beckenzone. Die iibrigen tlies- gesteine kommen an der Oberfliiche in der ~iuBeren Zone vor und weitver- streut in der Umgebung des tliesbeckens, vor allen Dingen im sogenannten Vorries im Stiden. Hituflg ist die Lagertmg derart, dab zuunterst die Kalk- trfimmermassen, darfiber die Bunte Breccie und dartiber wieder der Suevit liegt, so dab die ursprtingliche Altersfolge auf den Kopf gestellt ist.
I ' /5
Aufs~tze
Der Suevit ist immer die letzte und jfingste Bfldung. Er war daher der Erosion besonders stark ausgesetzt. Die heute noch vorhandenen flecken- haften Vorkommnisse, die in Abb. 4 dargestellt sind, mtissen als die Reste einer urspriinglich viel grSl3eren Verbreitung angesehen werden. Nach den Befunden in den Ties und gemg]3 der geophysikalisch wahrscheinlich gemachten Verbreitung des Suevit unter den Seesedimenten
Abb. 4. Suevitvorkommen (schwarz). Die Gestalt des Beckens ist durch die HShenlinien (Abstand 50 m) bezeichnet.
mug man annehmen, dab der Suevit im Krater und in seiner n~chsten Um- gebung eine recht geschlossene Decke gebildet hat.
Von allen Massen, die aus dem tlieskrater herausgeschoben oder heraus- geworfen wurden, ist der Suevit aus folgenden Grfinden besonders inter- es s ant:
1. enth~ilt der Suevit alle Stufen der Beanspruchung und VerS_nderung der Gesteine von frischen, unver~inderten und nur zerbrochenen Stricken his zu vSllig aufgeschmolzenen Massen.
2. hat der Suevit, der sich als letztes aller tliesgesteine auf den unmittel- bar vorher gebildeten Trfimmermassen ablagerte, den ganzen Vorgang der Kraterbfldung miterlebt. Es darf daher erwartet werden, dab er be- sonders viele Nachrichten fiber die Bedingungen und den Verlaus des Er- eignisses enth~ilt.
1"76
W . v. ENGELHARDT - - Neue Beobachtungen im NSrdlinger Ries
Frfihere Autoren sahen den Suevit (ohne n~ihere mikroskopische Unter- suchung) als vulkanischen Tuff an, der aus vielen lokalen Schloten, z.T. sogar in mehrfachen Eruptionen gefSrdert wurde. Aus mehreren Griinden ist diese Deutung heute nicht mehr m6glich: Nach den Messungen yon POHL (1965) zeigt die Richtung der dem heutigen Erdfeld antiparallelen Magnetisierung der Suevite verschiedener Vorkommen eine aul3erordentlich geringe Streuung. Die Suevite sind deshalb alle innerhalb eines Zeitranms yon maximal 50--100 Jahren, d. h. praktisch gleichzeitig entstanden. Zahl- reiche Bohrungen in verschiedenen Suevitvorkommen haben nirgends einen Sch]ot und immer nut flache Auflagerung erwiesen (WAGNER 1967). Das Vorkommen abgeschreckter Gl~ser in einer dfinnen Schicht an der Basis und, wo diese erhalten blieb, auch in einer obersten Lage, woriiber sp~iter noch n~iher berichtet wird, spricht fiir einen einmaligen Bildungsakt. Sch]ie/3lich ist die petrographische Beschaffenheit des Suevit, vonder nun zu sprechen sein wird, ganz anders als die vulkanischer Tuffe.
Im Sinne der Meteoritentheorie besteht der Suevit aus dem Material, das aus dem zentralen Krater hoch in die Luft geworfen wurde und dann im Krater als 1R(ickfallbreccie, atd3erhalb desselben als Auswurfbreccie als letzte Formation zur Ablagerung kam.
Die Untersuchung des Suevit mit ad~iquaten mineralogischen Methoden begann in den Jahren 1960 und 1961. Damals zeigten die amerikanischen Forscher SHOEMAKER und CHAO (SHOEMAKER ~( CItAO 1961; CHAO ~( LITT- L ~ 1968, CHAO 1967) durch die Entdeckung der Hochdruckmodifikationen des SiO2: Coesit und Stishovit in Grundgebirgseinschliissen des Suevit, dal3 in diesem Gestein der Schlfissel zur LSsung des Riesproblems verborgen ist. Durch das Vorkommen dieser beiden Kristallarten war bewiesen, dal3 Gesteine des kristallinen Untergrundes Drucken his 80 kbar resp. bis fiber 100 kbar ausgesetzt waren, wie sie bei vulkanischen Prozessen nach unserer Kenntnis nicht vorkommen.
Inzwischen shad die Untersuchungen welter fortgeschritten. SCHULLER und OTTEMANN (1968) verglichen Petrographie und Chemismus yon Tektiten, Riesgl~sern und vulkanischen Gl~isern. tdber gemeinsame Ergebnisse einer Gruppe am Tfibinger Institut e) (Dr. HSRz, Dr. STSFFLER, Dr. ARNDT, Dr. MOLLE, Dipl.-Min. BARANYI, Dipl.-Min. FORSTNER, Dipl.-Min. BERTSCH, cand. rain. JEZIORKOWSK 0 sei im folgenden zusammenfassend berichtet.
Die im Suevit enthaltenen Sedimentgesteine haben nur geringfiigige Ver~indertmgen effahren. Genauer untersucht wurden bisher die Weil3- iuraka]ke (BARANYI 1967). Manche von ihnen haben eine bis zu 5 mm dicke Rinde, die dadurch entstanden ist, dab die Kalke ~iul3erlich gebrannt, d.h. in CaO umgewandelt wurden, das sp~iter atffgelSst oder in feinkSrnigen 3alcit/iberf/ihrt wurde. Alle untersuchten Kalkeinschliisse zeigen eine Ver- inderung ihres Tonmineralbestandes: Die urspriinglich vorhandenen Mine- Fallen I]lit und Kaolinit wurden thermisch zerstSrt, an ihrer Stelle wurde
2) Vgl. hierzu: v. ENGELHAI~DT • STOFFLER 1965; V. ENGELHARDT ~K H6I~z 1965; ~ISRZ 19~5, STOFFLER 1965, 1966; v. ENGELHARDT, HOIRZ & STOFFLEIR 1966; v. EN- 3ELHAIRDT ~ ST{DFFLER 1966; v. ENGELHARDT, ARNDT, STSFFLER, MOLLER, JEZIOR- (OWSKI ~: GUBSER 1967; ST6FFLER 1967; V. ENGELHAIRDT 1967; BARANYI 1967.
.2 Geologische IRundschau, Bd. 57 17'/
Aufsfitze
dioktaedrischer Chlorit (Sudoit) gebildet. Diese Ver~inderungen k6nnen er- kl~rt werden durch eine Erhitzung der bereits zerbrochenen Kalkstficke auf Temperaturen zwischen 550 ~ und 900 ~ C ffir eine Zeit yon Mnigen Minuten.
Auf ~hnliche Temperaturen bei der Ablagerung des Suevit kommt man auf Grund der magnetischen Beobachttmgen: Die einheitliehe remanente Magnefisierung aller Suevite beweist, dab die Temperatur des Suevit bei seiner Ablagerung h6her war als der Curiepunkt der die l~emanenz hervor- rufenden Mineralien. Genaue Bestimmungen des Curiepunktes stehen noch aus. Nach dem bis jetz bekannten Erzbestand dfirfte die Temperatur der sich ablagernden Suevite wenigstens 400 ~ bis 500 ~ betragen haben (POHL 1965).
St~kere Ver~nderungen als an den Sedimenten sind an den ira Suevit enthaltenen Bruchstficken yon Gneisen, Amphiboliten, Granodioriten und Graniten zu beobachten. Die genaue mineralogische Untersuchung dieser GesteLne ist noch lange nicht abgeschlossen. Es liegen abet heute schon viele Ergebnisse vor, die sich zusammenfassen lassen zu der Feststellung, dab die an den Minera]en zu beobachtenden Umwandlungen keiner be- kannten Metamorphose entsprechen, sondern zu erkl~iren sind als Pro- dukte der Einwirkung yon Stogwellen verschiedener Intensit~it auf die Gesteine des kristallinen Untergrundes. Man spricht desha]b yon einer StoBwellenmetamorphose.
Urn die Erscheinungen dieser Metamorphose zu verstehen, seien einige wichtige Eigensch~ten der StoBwellen hervorgehoben, durch welche sie sich yon normalen Verdichtungswellen unterscheiden, die sich mit Schall- geschwindigkeit fortpttanzen 3):
1. Eine StoBwelle kann in einem festen K6rper durch die yon einem Sprengstoff erzeugte Detonationswelle oder dutch den Aufprall eines Pro- jektils erzeugt werden. Die Geschwindigkeit der Detonationswelle oder des Projektils muB mindestens yon der GrSBenordnung kin/see sein.
"2. Die sogenannte StoBwelle ist keine Welle im eigentlichen Sinne son- dern eine den festen K6rper mit tAberschallgeschwindigkeit durchlaufende Diskontinuit~t, an der Materie unter Normalbedingungen an Materie grenzt, in der Druck, Temperatur und Dichte sprunghaft erh6ht shad. Die StoBwellengeschwindigkeit ist um so h6her, je gr6Ber die DruckditTerenz ist.
8. Hinter der in den festen K6rper fortschreitenden Verdichtungsfront strSmt komprimierte Materie in derselben Richtung, aber mit geringerer Geschwindigkeit als die StoBwelle selbst.
4. Die Drucke in der StoBwelle sind so hoch, dab alle unter normalen Bedingungen festen Stoi~e wie Flfissigkeiten strSrnen. Dabei treten erheb- lithe Erh6hungen der Dichte und der Temperatur au/. Die Erw~rmung entspricht der adiabatischen Kompressionsarbeit.
5. Die durch den festen KSrper laufende Zone hohen Druckes hat eine begrenzte Ausdehnung. Ihr folgt eine Zone der Druckent]astung, in wel- chef der Druck auf den Normalwert und die Temperatur bis aus die so- genannte l~esttemperatur absinkt und die Materie in die entgegenge-
8) Zur Physik der StoBwellen vgl. z.B.: COU~ANT & FRIEDBICH$ 1948; l:hcE, McQuEEN & WALSH 1958; DUVALL 196g. "
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W. v. ENGELHAltDT - - Neue Beobachtungen im N6rdlinger Ries
setzte tliehtung besehleunigt wird. Die t~esttemperatur ist niedriger als die Stol3wellentemperatur, aber hSher Ms die Ausgangstemperatur. Die zeit- liehe Ausdehnung der Stol3welle hangt von der Menge des detonierenden Sprengstoffes oder der GrSBe des Projektils ab. Im Experiment erreicht man Zeiten in der GrSgenordnnng yon 10 -6 see. Aueh ein groBer Meteorit wird Stol3wellen erzeugen, die nur Bruehteile yon Sekunden dauern.
Wie sich gesteinsbildende Mineralien in Sto/3wellen verhalten, insbesondere in welchen Zust/inden sie zudiekbleiben, wenn sie von einer StoBweile durehlaufen wurden, kann man entweder im Stol3wellenexperiment direkt untersuehen oder aus der Besehaffenheit der Gesteinseinsehlfisse im Suevit ersehlieBen. Auf beiden Wegen stehen wir erst am Beginn. Arts der Kom- bination beider Methoden ergeben sieh aber heute sehon einige Sehl/isse.
Unter normalen Bedingungen sprSde Mineralien, wie Quarz und Feld- spate, fliel3en in der StoBwelle ~hnlieh wie dies plastische Kristallarten sehon bei niedrigen Spannungen tun. Diese Stoffe, wie Kupfer oder Ma- gnesium, beginnen bei Llberschreitung der Elastizit/itsgrenze zu flieBen, indem l~ngs bestimmten Gitterebenen und in bestimmten Gitterrichtungen Translation einsetzt. Dieses Gleiten wird durch die Bewegung von linearen Kristallbaufehlern, den Versetzungslinien, hervorgebracht.
Die in sprSden Kristallen, wie Quarz, enthaltenen Versetzungslinien kSnnen dureh Spannungen, die der Elastizitatsgrenze entspreehen, nieht oder nur unwesentlieh in Bewegung gebraeht werden. Daher zerbrieht der Quarz, wenn man ihn fiber die Elastizitatsgrenze hinaus beansprueht. Nut wenn ein erhShter allseitiger Druek wirkt, wie er unter tektonischen Be- dingungen auftreten kann, beginnt aueh der Quarz sieh plastiseh zu ver- formen. Anzeiehen dieser plastischen Deformation, die einer Gleitung naeh der Basis entspricht, sind undulSse AuslSschung und die sogenannten BShmsehen Streifen, wie man sie in Tektoniten findet.
In sehr viel hSherem MaBe plastiseh verformbar ist jedoch der Quarz in Stol3wellen geniigend hoher Energie. Aus unseren ersten Stol3wellenver- suchen sehliegen wir, dab dazu Drueke fiber 100 kbar erforderlieh sin& Dureh die diskontinuierliehe Drueksteigerung an der Stol3wellenfront wird der Druekbereich des sprSden Verhaltens fibersprungen, und der Kristall wird unvermittelt hohen Spannungen ausgesetzt, welche zahlreiehe bei niederen Drucken unbewegliehe Gleitsysteme in Gang setzen. Die Gleit- ebenen dieser Deformation sind im Dtinnsehliff als Scharen paralleler Ebenen sichtbar, welche von zahlreiehen Meteoritenkratem bekannt sind und als ,,planar features" oder planare Elemente besehrieben wurden (Abb. 6). Ihre Orientierung kann im Mikroskop gemessen werden. Es zeigt sich, dab diese planaren Elemente verh~iltnism~igig niedrig indizierten Netzebenen des Quarzgitters parallel sind, welehe aueh als Waehstums- fl~ichen vorkommen. Abb. 5 zeigt die in 1Riesgesteinen am hfiufigsten ge- fundenen Lagen.
Bei starkster VergrS/3erung kann man zwei Typen planarer Elemente in Quarz unterscheiden: Die dekorierten planaren Elemente bestehen aus kleinen Einsehlfissen, wahrseheinlieh Hohlraumen, die l~ings kristal!o- graphisehen Ebenen angeordnet sind (Abb. 7). Die nieht dekorierten planaren
Aufs~tze
Elemente (Abb. 8) erscheinen auch bei starkster Vergr~il3erung als nicht wel- ter aufl~Ssbare, scharfe Linien. QuarzkSrner mit glatten planaren Elementen spalten leicht nach diesen Ebenen. Es scheint so, dab die dekorierten planaren Elemente durch geringere StoBwellendrucke erzeugt werden als die nicht dekorierten.
Bei starker Beanspruchung werden die planaren Elemente auch gebogen (Abb. 9). An solchen Bildern karm man erkennen, dab wirklich eine Trans- lation fangs diesen Ebenen erfolgt ist.
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Abb. 5. Lage der planaren Elemente, die in Quarzen der KristaUineinschltisse des Suevit gefunden wurden. Stereographische Projektion, c-Achse senkredat zur Zeichenebene. Die dicken Punkte bezeichnen die am h~iufigsten vorkommenden
Lagen.
Die in der StoBwelle erzeugten Gleitebenen des Quarzes bleiben wahr- scheinlich deshalb sichtbar, well die dutch hohe Sparmungen erzwungene Bewegung der bei niedrigerer Beanspruchung tmbeweglichen Versetzungs- linien eine teilweise ZerstSrung des Gitters dutch Bildung yon Leerstellen und grSl3eren Hohlraumen erzeugt. Daher zeigen Quarze mit planaren Elemente eine herabgesetzte Dichte, Licht- und Doppelbrechung. Dichte und Lichtbrechung der Quarze mit planaren Elementen umfassen einen Be- reich, der vom normalen Quarz bis zum amorphen SiOe-Glas reicht.
Steigen die Stol3wellendrucke noch hSher an, so wird das Quarzgitter (ohne Schmelzen) vollst~tndig zerstSrt, es entsteht ein rSntgenamorphes und
Abb. 6. Quarz mit planaren Elementen, von Biotit umgeben. Biotitgneis der Metamorphosestufe I aus dem Suevit yon Zipplingezl.
Abb. 7. Dekorierte planare Elemente im Quarz eines Biotitgranits aus dem Suevit von Zipplingen.
Abb. 8. Nicht dekorierte planare Elemente im Quarz eines Biotitgneises der Metamorphosestufe I aus dem Suevit von Altebiirg.
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Geologische P~mldschau, Band 57 ENC, EHqARDT . Texttafel 1
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8
Abb
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W. v. ENCELttAI/DT - - Neue Beobachtungen im N6rdlinger Ries
optisch isotropes Glas als Pseudomorphose naeh dem kristallinen Quarz- korn. Naeh den Ergebnissen erster StoBwellenexperimente geschieht dies bei StoBwellendrueken fiber etwa 800 kbar. Gl~iser dieser Art unterscheiden sida physikaliseh vom normalen Glas, das dureh Schmelzen von Quarz entsteht. Diehte und Liehtbrechung sind h6her als die von normalem Glas und niedriger als die yon kristallinem Quarz.
Wir haben vorgesehlagen, Phasen dieser Art, die nur dureh StoBwellen entstehen kSnnen, diaplektiseh zu nennen (yon grieehisch diaplesso = zer- schlagen). Quarz mit planaren Elementen und emiedrigter Diehte und Liehtbreehung heil3t diaplektiseher Quarz. Ohne Schmelzung aus Quarz ent- standenes Glas nennen wir diaplektisehes SiO~-Glas.
Die Hochdruekmodifikationen des SiO~: Coesit und Stishovit kommen im Ries vorzugsweise in diaplekfischem SiOe-Glas vor.
Die tlesttemperatur war bei der Bildtmg des diaplektischen Quarz- glases noeh so niedrig, dab die StoBwelle ein festes Produkt, aber keine Sehmelze zurficklieg. Steigt der Stogwellendruek noeh h6her an, sch~it- zungsweise bis fiber 500 kbar, so bleibt naeh dem Durehgang der StoB- welle durch Quarz eine Sehmelze zurfi&, die zu einem normalen Glas er- starrt, das durch Blasen und FlieBstrukturen den einmal fliissigen Zustand anzeigt (Abb. 10).
Analoge Erseheinungen wie am Quarz finden sich bei den Feldsp~iten. Auch bier tritt im Bereieh mittlerer StoBwellendrucke ein plastisches Flie- Ben auf, das dureh Gleitung nach vielen kristallographisehen Ebenen und Riehtungen erfolgt. Auch hier entstehen diaplektische Phasen, indem die plastische Verformung zu einer teilweisen Zerst6rung des Gitters l~ings der Gleitebenen ffihrt. Dadureh bilden sieh Lamellen geringerer Lieht- und Doppelbrechung, deren Orientierung im Mikroskop bestimmt werden kann. Naeh Messungen an Plagioklas (ST6FFLER 1967) liegen alle Lamellen in den drei Hauptzonen des Gitters, parallel zu der a-, der b- und der c-Aehse. Besonders hSufig ist (001), dann folgen (010) und (100). Charakteristisch ist die partielle Umwandlung in diaplektisches Glas, indem sieh optiseh isotrope Lamellen erniedrigter Liehtbrechung bilden (Abb. 11). Der um- gebende noch kristalline Plagioklas ist naeh seinen optischen Eigenschaften ein in hohem Grade ungeordneter Feldspat.
Bei hSheren StoBwellendrucken (urn 800 kbar) werden Feldspate sehlieB- lieh wie Quarz ohne eigentliches Sehmelzen vollst~indig in diaplektisches
Abb. 9. Nieht dekorierte, gebogene planare Elemente in Quarz eines Biotitgneises der Metamorphosestufe I--II, Appetshofen. Gekreuzte Polarisatoren.
Abb. 10. Geschmolzenes Quarzglas (Led-tatelierit) mit zahlreiehen Blasen im hSher lichtbreehenden Gesteinsglas eines Fladens aus dem Suevit von Bollstadt. Abb. 11. Diaplektiseher Plagioklas mit isotropen (dunkel) und doppelbrechenden Lamellen. Orientierung der Lamellensysteme: SW = (010), NW = (100), WNW = (211). Dioritischer Gneis der StoBwellenmetamorphosestufe I aus dem Suevit
von Zipplingen. Gekreuzte Polarisatoren. Abb. 12. Diaplektisches Plagioklasglas mit Spaltrissen und Hornblende. Plagio- klasamphibolit der StoBwellenmetamorphosestufe II aus dem Suevit von Bollstadt.
181
Aufsiitze
Glas umgewandelt. Abb. 12 und 18 zeigen ein Beispiel eines diaplek- tischen Plagioklasglases in einem Amphibolit. Liehtbreehung und Diehte diaplektiseher PIagiok!asgl~iser sind h6her als die normaler geschmo!zener Gl~iser, aber niedriger als die der kristallinen Phase.
Wie am Beispiel des in Abb. 12 und 18 gezeigten Amphibolits deutiieh erkennbar, k~Snnen dunkle Minerale, wie Hornblende, Augit und Glimmer, h6here Stol3wellendru&e als Quarz und Feldspar ohne Zerst6rung ihres Git- ters aushalten. Auch sie werden plastisehe Verformungen erleiden, doch kom- men diese offenbar leiehter in Gang und fiihren nicht zu Gitterstgrungen l~ings der Gleitebene.
Die dunklen Minerale breehen erst dann zusammen, wenn die Stol3- wellendrueke und -temperaturen so hoeh sind, dab die nach dem Dureh- gang der StoBwelle fibrigbleibende tlesttemperatur fiber dem Schmelz- punkt liegt, so dab Sehmelzen entstehen. KrisealIine Gesteine werden als Sehmelzen zurti&bleiben, wenn die Stol3wellendrueke mindestens 500 kbar betragen.
Die bekannten Fladen oder Fl~idle, mehr oder weniger glasige Bomben im Suevit, sind Fetzen soleher Sehmelze, die bei der explosionsartigen Entlastung hoeh emporgeworfen wurden und deren oft merkwfirdig flaehe Formen dureh den sehr sehndlen Flug entstanden (H6~z 1966).
Die ehemische und mineralogische Untersuchung einer grbl3eren Anzahl dieser Repdisentanten der stiirksten StoBwellenmetamorphose hat gezeigt, dab die Fladen trotz ihres manehmal recht versehiedenartigen Aussehens sehr gleiehartig sin& Es gibt zwei Haupttypen, die sieh nur dureh ihre Abkfihlungsgeschiehte unterseheiden: nieht rekristallisierte und rekristal- lisierte Gl~iser.
Nieht rekristallisierte Glasbomben enth~ilt der Suevit dort, wo er schnell abgekiihlt wurde. In den Suevitaufsehliissert Otting, Aumfihle und Bollstadt kann man eine untere (in Otting und Aum/ihle fund 1 m dicke) Lage von ab- gesehrecktem Suevit erkennen, der direkt auf der Bunten Breeeie liegt und nut nieht-rekristallisierte Gl~iser enth~ilt. Dariiberliegende Suevitpartien kfihl- ten langsamer ab und enthalten nur rekristallisierte Gl~iser. Im Bohrprofil von W~Srnitzostheim wurde sogar eine obere (etwa 6 m m~iehtige) und eine untere (etwa 17 m m~iehtige) abgesehreekte Zone mit nieht-kristaIlisierten Bomben beobachtet, w~ihrend die mittlere 60 m miiehtige Partie nur kristallisierte Gl~i- ser enth~ilt. Aueh in Otting ist stellenweise die oberste abgesehreckte Lage noeh erhalten.
Da die nieht rekristallisierten Gliiser kaum ehemisehe Ver~inderungen er- litten, reprgsentieren sie am besten das aus dem Krater als Sehmelze herausgeworfene Material. Die Abb. 14 gibt einen Eindruck yon ihrer mikroskopisch sehr inhomogenen Besehaffenheit. Die Sehlieren verschie- dener ehemiseher Zusammensetzung sind offenbar aus den einzelnen Mineralk~Smem der Gesteine hervorgegangen. W~ihrend der kurzen Zeit des sehmelzfliissigen Zustandes kam es nieht zur vollstiindigen Misdmng. Blasen, SiO2-Glas und nieht gesehrnolzene Bruehstticke yon Quarz und wenig Feldspar sehwimmen zu Sehlieren zusammengeballt in diesem Glas (Abb. 15). Unter den Fragmenten linden sieh niemals dunkle
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Aufs~itze
Minerale. Darin unterscheiden sieh die Glaser der StoBwellenmetamor- phose yon Gl~isern, die aus kristallinen Gesteinen dureh teilweise Auf- schrnelzung oder Anatexis gebildet wurden. Bei der Anatexis entsteht immer eine SiO2-reiche Schmelze und ein dunkles Residuum, hier eine SiO2-~rmere Sehmelze und ein tlestbestand yon Quarz. Die Liehtbreehung der Fladengl~iser iiberdeekt einen weiten Bereich, Abb. 17 zeigt das Er- gebnis der Auszahlung der Liehtbrechung yon drei Gl~sem im Pulver- pr/iparat, im Vergleieh mit einigen vulkanisehen Gl~isern.
Trotz der mikroskopisehen Heterogenit~it ist die ehemische Variabili~t der Gl~ser im Ganzen sehr gering. Wie die Zahlen in Tabelle 2 zeigen, ent- spriekt der Chemismus der Gl~iser etwa der eines Granits. Es miissen also Gesteine granitiseher Zusammensetzung das Ursprungsmaterial der Fla- dengl~iser sein.
Die rekristallisierten Gl~iser enthalten haupts~ichlieh Neubfldungen yon Pyroxen, einem albitahnliehen Feldspat, Quarz und Montmorillonit. Die einzelnen Fladen unterseheiden sieh trotz urspriinglieh gleieher ehemiseher
Tab. 2. Mittlere ehemische Zusammensetzung der Glasbomben im Suevit. (x = Durehschnitt; ~ = mittlere Streuung.)
Nieht rekristal- Rekristallisier te lisierte Gl~iser Gl~iser
Anzahl der analysierten Glasbomben
9 17
X G X G
SiO2 63,54 1,03 64,04 1,15 TiO2 0,81 0,08 0,78 0,10 A1203 15,10 0,43 15,28 0,80 FeeO~ 0,99 0,19 1,42 0,72 FeO 3,75 0,19 2,89 1,26 MnO 0,10 0,01 0,08 0,03 MgO 2,71 0,19 1,71 0,92 CaO 3,45 0,34 3,98 0,54 NaeO 2,86 0,29 3,59 0,68 K20 3,71 0,16 3,50 0,76 PeO~ 0,36 0,12 0,32 0,08 H20+ 2,73 0,30 2,72 1,03 COe 0,37 0,22 0,33 0,19
Abb. 18. Dasselbe wie Abb. 12, gekreuzte Polarisatoren.
Abb. 14. Nieht rekristallisiertes Glas mit versehieden gef~bten Schlieren und Quarzbruchstii&en. Das groBe Quarzkorn enthiilt planare Elemente. Fladen aus
dem Suevit yon Otting. Abb. 15. H~Sher oxidierte ScIdiere mit beginnender Rekristallisation, reich an Mineralbruchstiieken und Blasen in nieht rekristallisiertem, hellem Glas, in dem Fetzen von geschrnolzenem Quarzglas schwimmen. - - Fladen aus dem Suevit
von Bollstadt. Abb. 16. FadenfSrmige Pyroxenkristalle im Glas eines stark rekristallisierten Fla-
dens aus dem Suevit yon Bollstadt.
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Zusammensetzung in den relativen Mengenanteilen dieser Mineralarten. Im Unterschled zu vulkanischen Gesteinen beobachtet man niemals ein FlieBgefiige dieser Neubildungen. Die Rekristallisation hat also erst im ruhenden Suevit begonnen, wie dies ja auch aus der Verteilung der gla- sigen und rekristallisierten Fladen im Suevitprofil hervorgeht. Es kommen sehr merkw/irdige Kristallformen vor, yon denen die Abb. 16, 18, 19, 9.0 und 9.1 einen Eindruck vermitteln m6gen.
Die chemische Zusammensetzung der rekristallisierten G1/iser ist yon der frischen nicht stark, aber doch typisch verschieden (Tab. 9.). Erstens ist der Oxidationsgrad der rekristallisierten Gl~iser hSher; zweitens sind in] Mittel ihre Fe- und Mg-Gehalte niedriger. Im einzelnen findet man in den- jenigen rekristallisierten Gl~isern weniger Fe und Mg, in welchen sich kein
Tab. 3. Stufen der Stol3wellenmetamorphose granitiseher Gesteine im Pdes
Druek in der Resttemperatur *) Stufe Kennzeichen Stol3welle o C
kbar 100
Diaplektisehe Quarze und Feld- spate (plastisehe Verformung, Er- niedrigung der Liehtbreehung, planare Elemente).
II Diaplektische Gl~iser von Quarz und Feldspat. Coesit. Stishovit.
III
Partielle Aufschmelzung unter teil- weiser Wahrung des Gesteins- geffiges. Normale Schmelzglfiser yon Quarz und Feldspat. Coesit. Stishovit.
IV
Totale Aufsdunelzung. SeIdierige Gl~iser der Bomben (Fladen) mit ungeseb_molzenen Mineralfrag- menten.
, - , 1 0 0 - -
250--800 20(~- 3 0 0 - -
500--550 1 2 0 0 - - 1 5 0 0 - -
600--650 - - 2 0 0 0 - - 2 8 0 0 - -
~,1000 N 5 0 0 0 - - Verdampfung
*) Die naeh dem Durchgang der Stol3welle verbleibende Resttemperatur ist nach den Experimenten von WACKE~LE (1962) fiir Quarz bereehnet. Sie mag f/Jr Gesteine etwas anders sein.
Abb. 18. Pyroxenkristalle im Glas eines stark rekristallisierten Fladens aus dem Suevit yon Auflaausen.
Abb. 19. Strahlige Feldspatkristalle in einem stark rekristal]isierten Fladen aus dem Suevit yon Bollstadt.
Abb. 20. Grol3e Feldspatkristalle in einem stark rekristallisierten Fladen aus dem Suevit yon Ffinfstetten.
Abb. 21. WurmfSrmige Montmorillonitl~istalle im Glas eines stark rekristallisier- ten Fladens von Aumiihle.
12" Geologische Rundschau, Bd. 57 185
Aufs~itze
Pyroxen ausschied, Feldspar und Quarzkristalle also in einer ursprfinglich Mg- und Fe-reiehen Glasgrundmasse lagen. Offenbar hat aus solchen Gl~isern, wegen des durch die Kristallisation geloekerten Geffiges, eine spatere Auslaugung Fe und Mg entfernt.
Die im Suevit enthaltenen Bruchstiieke kristalliner Gesteine zeigen die verschiedensten Stadien der Stol3wellenmetamorphose, welcke durch die besehriebenen Deformationen und Phasenumwandlungen gekennzeichnet sind. Auf kleinstem Raum sind unver~nderte Gesteinsst/icke mit solchen aller Umwandlungsgrade bis hin zu den Glasbomben (Fladen) vermischt. Man kann vier Stadien fortschreitender Stogwellenmetamorphose unterscheiden, ftir welche ST6FFLEtl (1966) zuerst ein Schema der Einteilung entworfen hat. Nach den ersten Ergebnissen der vom Ttibinger Insti tut (W. MOLLER) be- gonnenen Stol3wellenversuche kSnnen heute schon ungefahr die Drucke angegeben werden, welche den vier Stol3wellenstufen entsprechen. Ein Schema, wie es unserem augenblieklichen Wissensstande entspricht, ist in Tabelle 8 (naeh ST6FFLER 1967) wiedergegeben. Im allgemeinen l~3t sich jeder KristallineinschluB im Suevit ohne Schwierigkeiten einer dieser Stufen zuordnen.
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