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Petrography, geochemistry, and shock metamorphism of the impactites from the Chicxulub impact structure peak ring (Yucatán peninsula, Mexico) recovered by the IODPICDP Expedition 364 drilling
Jean-Guillaume Feignon
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Erdwissenschaften)
Betreuer*in
Christian Koeberl
DOI
10.25365/thesis.72703
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11572.66190.926883-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Von April bis Mai 2016 wurde in der IODP-ICDP-Expedition 364 der innere Ring der Chicxulub-Einschlagstruktur (Halbinsel Yucatán, Mexiko, Durchmesser ca. 200 km; Alter 66.05 Ma) erbohrt und ein durchgehender, 829-m-langer Bohrkern (M0077A) gewonnen. Dies bot die Gelegenheit, Natur, Eigenschaften, Zusammensetzung und Bildungsmechanismus des inneren Rings zu untersuchen. Der Kern wurde, von oben nach unten, in vier lithologische Haupteinheiten unterteilt: (1) ein ~112 m starker karbonatreicher Sedimentgesteinsabschnitt aus dem Paläogen (direkt nach dem Einschlag, von 505.7 bis 617.3 mbsf [Meter unter dem Meeresboden]), wobei der untere Teil der Einheit (1) als ~75 cm dicke, feinkörnige und karbonatreiche Übergangseinheit (von 616.58 bis 617.33 mbsf) definiert ist, die den obersten Teil des inneren Ringes von Chicxulub markiert; (2) eine ∼98 m mächtige, polymiktische Impaktbrekzie (Suevit), mit etwas Impaktschmelze (von 617.3 bis 715.6 mbsf); (3) eine ∼31 m mächtige Impaktschmelzgestein-Sequenz (von 715.6 bis 747.0 mbsf), die auch als obere Impaktschmelzgestein-Einheit (UIM) bezeichnet wird; und (4) eine kristalline Grundgebirgseinheit (von 747,0 bis 1334. 7 mbsf), die hauptsächlich aus geschocktem, zerklüftetem und deformiertem, grobkörnigem Granit besteht, der von vulkanischen Gängen (Dolerit, Felssit und Dazit; alle-prä-Impakt) und Einlagerungen von Einschlagschmelzgesteinen (LIMB) durchzogen ist. Diese Arbeit enthält detaillierte Untersuchungen zu Petrographie, Geochemie und Schockmetamorphose von 219 Proben aus dem Bohrkern, zur Charakterisierung der diversen Grund- und Impaktgesteine. Die Daten liefern wichtige Erkenntnisse über die Bildung des inneren Ringes, die Beschaffenheit des Grundgebirges der Halbinsel Yucatán und das Schicksal des Chicxulub-Impaktors. Das ca. 600 m mächtige Grundgebirge ist ein Granit mit K-Feldspat, Plagioklas, Quarz und Biotit (häufig chloritiert). Die homogene Verteilung der Haupt- und Spurenelemente der Granitproben stimmt mit früheren Studien überein, die zeigen, dass der Granit im Maya-Block von Yucatán im Kontext eines Vulkanbogens (während des Karbon) intrudiert ist. Die Sr-Nd-Isotopendaten deuten darauf hin, dass ~50 Myr nach der Granitbildung ein metasomatisches Ereignis stattgefunden hat (möglicherweise in den ersten Phasen des Auseinanderbrechens von Pangea) und dass eine geringe Grenville-Grundgebirgskomponente beteiligt war. Darüber hinaus wurde der Granit durch den Beginn eines impaktinduzierten langlebigen hydrothermalen Systems verändert, wobei die Flüssigkeitszirkulation durch das Vorhandensein von Brüchen verstärkt wurde. Untersuchungen von geschockten Quarzkörnern des Granits mit Hilfe desUniversaldrehtisches deuten auf ein hohes Schockniveau hin, mit dem Vorhandensein mehrerer planarer Brüche (PF), oft mit sogenannten „feather –features“ (FF) und durchschnittlich 2.8 planaren Deformationsstrukturen (PDF) pro Korn, was höher ist als in allen zuvor untersuchten Bohrkernen von Chicxulub und den meisten K-Pg-Grenzen, an denen geschockter Quarz vorhanden ist. Daraus wurden die Schockdrücke in der Graniteinheit auf ~16 bis ~18 GPa geschätzt, wobei mit zunehmender Tiefe im Kern eine leichte Schockabschwächung zu verzeichnen ist. Weitere lichtmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Beobachtungen haben schockinduzierte planare Mikrostrukturen in Feldspat, Apatit und Titanit gezeigt, während in Zirkonkörnern Brüche beobachtet wurden. Außerdem sind in Glimmern häufig Knicke vorhanden. Bei den Impaktschmelzgesteine gibt es obere (UIM) uns untere (LIMB) Enheiten. Die Zusammensetzung der Haupt- und Spurenelemente in den Impaktschmelzgesteinen spiegelt in erster Linie die Vermischung zwischen mafischen (Dolerit) und felsischen (Granit) Komponenten wider. Die Gehalte an hoch siderophilen Elementen und die Re-Os-Isotopenzusammensetzung haben keine eindeutige oder nachweisbare meteoritische Komponente ergeben, mit Ausnahme einer UIM-Probe, die möglicherweise ~0.01-0.05 % einer chondritischen Komponente enthält. Dies lässt sich durch das Vorhandensein einer bedeutenden mafischen Komponente (Dolerit) in der Impaktschmelze und die hydrothermalen Alterationsprozesse nach dem Impakt erklären, die wahrscheinlich Re und Os in der Impaktschmelze und den Lithologien vor dem Impakt remobilisiert haben. Die Suevit-Einheit besteht hauptsächlich aus kantigen bis unrunden Klasten in einer feinkörnigen, mikritischen Karbonatmatrix. Bei den Klasten handelt es sich hauptsächlich um alterierte glasartige Schmelzen, Karbonate, Impaktschmelzen, geschockte und nicht geschockte Minerale (Quarz und Feldspat, die im Allgemeinen aus dem kristallinen Grundgebirge stammen) und Lithologien aus der Zeit vor dem Impakt (z. B. Granit, Gneis, Dolerit, Amphibolit). Quarzkörner sind geschockt. Im Allgemeinen zeigen die Hauptelementgehalte des Suevits eine Abnahme des CaO- und eine Zunahme des SiO2-Gehalts mit zunehmender Tiefe, was darauf zurückzuführen ist, dass die felsischen Grundgebirgsschollen im unteren Teil des Suevits über den Karbonaten häufiger vorkommen als im oberen Teil. Die Suevitsequenz wurde auf der Grundlage petrographischer und geochemischer Daten von oben nach unten in drei Untereinheiten unterteilt: (a) ~3.5 m dicker geschichteter Suevit, (b) ~89 m dicker abgestufter Suevit und (c) ~5.6 m dicker nicht abgestufter Suevit. Ein mögliches Szenario für die Einlagerung der Suevitsequenz deutet darauf hin, dass trümmerarmes Ozeanwasser aus einer Lücke im N-NE-Außenrand in den Chicxulub-Krater eindrang und ~30 Minuten nach dem Einschlag den inneren Ring erreichte, wo es durch Wechselwirkung mit dem heißen Einschlagschmelzgestein zu phreatomagmatischen Prozessen kam. In den darauffolgenden Stunden wurde die Einschlagstruktur von trümmerreichem Ozean überflutet, was zur Ablagerung des gradierten Suevits führte. Mit abnehmender Energie der Meeresaufwallung dominierten dann Seichenwellen die Ablagerungsprozesse und bildeten den geschichteten Suevit. Schließlich, weniger als zwanzig Jahre nach dem Einschlag, führte die langsame Ablagerung von atmosphärischem Fallout aus sehr feinem Staub, der mit meteoritischem Material angereichert war (~0.1 % chondritische Komponente und positive Iridiumanomalie), zur Bildung der Übergangseinheit.
Abstract
(Englisch)
From April to May 2016, in IODP-ICDP Expedition 364, the peak ring of the ~200-km diameter, and ~66.05 Ma Chicxulub impact structure (Yucatán peninsula, Mexico) was drilled and led to the recovery of a continuous 829 m core (M0077A). This provided a unique opportunity to investigate the nature, properties, and composition of the peak-ring rocks and the mechanism of their formation. The core was divided into four main lithological units, from top to bottom: (1) a ~112 m-thick post-impact Paleogene, carbonate-rich sedimentary rock section (from 505.7 to 617.3 mbsf [meters below sea floor]), with the bottom of unit (1) defined as a ~75 cm-thick, fine-grained and carbonate-rich transitional unit (from 616.58 to 617.33 mbsf), marking the uppermost part of the Chicxulub peak ring; (2) a ∼98 m impact melt-bearing polymict impact breccia (defined as suevite) unit (from 617.3 to 715.6 mbsf); (3) a ∼31 m thick impact melt rock sequence (from 715.6 to 747.0 mbsf), also termed as the upper impact melt rock (UIM) unit; and (4) a crystalline basement rock unit (from 747.0 to 1334.7 mbsf) mainly made of shocked, fractured, and deformed, coarse-grained granite, which is cross-cut by different types of pre-impact volcanic dikes (dolerite, felsite, and dacite) and intercalations of impact melt rock-bearing units (LIMB). This thesis presents detailed investigations on the petrography, geochemistry, and shock metamorphism of 219 samples from the Chicxulub peak ring, in order to characterize suevite, impact melt rock, granitic basement, and pre-impact dike or clast (dolerite, amphibolite, felsite, and dacite) lithologies. The data obtained give important insights on how the peak ring rocks emplaced, refining the scenario of the impact event, the nature of the Yucatán peninsula basement, and the fate of the Chicxulub impactor. The ~600 m-thick granitic basement is characterized as a high-K, calc-alkaline and metaluminous granite, with K-feldspar, plagioclase, quartz, and biotite (commonly chloritized) as main mineral components. The major and trace element compositions of granite samples are relatively homogenous throughout the drill core, which is consistent with previous studies showing that the granite intruded the Maya block of the Yucatán peninsula in a volcanic arc context (during the Carboniferous). The Sr–Nd isotope data indicate that a fluid metasomatic event occurred ~50 Myr after granite formation (possibly related to the first stages of Pangea breakup), and that a minor Grenville-aged basement component has been involved in the granite source. In addition, the granite was further altered by the onset of a long-lived post-impact hydrothermal system, with fluid circulation enhanced by the presence of fractures, preferentially affecting fluid-mobile element contents. Universal stage investigations of shocked quartz grains within the granite unit indicate a relatively high shock level, with the presence of multiple planar fracture (PF) sets, associated feather features (FFs), and an average of 2.8 planar deformation feature (PDF) sets per grain, which is higher than in all previously investigated drill cores from Chicxulub and most K–Pg boundary sites for which detailed reports are available. Based on PDF orientations, shock pressures experienced by the granite were estimated between ~16 and ~18 GPa, with a slight shock attenuation with increasing depth within the core. Further optical microscope and scanning electron microscope observations have shown the presence of shock-induced planar microstructures in feldspar, apatite, and titanite, while fracturing was observed in zircon grains. Additionally, kinkbanding is commonly observed in micas. The impact melt rocks are distinct between the UIM and the LIMB. The UIM is mainly composed of two intermingled, and chemically distinct, impact melt rock phases, i.e., a SiO2-rich and trachyandesitic, clast-poor black impact melt, and a CaO-rich green phase, composed mainly of secondary clay minerals and sparitic calcite, while the LIMB is similar to the black impact melt rock (but is clast-poor to clast-rich), with an absence of carbonate material. Major and trace element compositions of the impact melt rocks primarily reflect mixing between mafic (dolerite) and felsic (granite) components, with the incorporation of carbonate material in the UIM unit. Measurements of highly siderophile element contents and Re–Os isotopic compositions did not reveal any unambiguous or detectable meteoritic component, excepted one UIM sample having a possible (~0.01–0.05%) chondritic component. This is similar to most of the previous studies that have shown that impactites within the Chicxulub impact structure contain less than 0.1% of a meteoritic contribution. This may be explained by the presence of a significant mafic component (dolerite) within the impact melt rocks, and post-impact hydrothermal alteration processes that have probably remobilized Re and Os in impact melt rocks and pre-impact lithologies. However, the low amount of meteoritic material preserved within impactites of the Chicxulub impact structure is consistent with the assumed steeply-inclined trajectory of the Chicxulub impactor, leading to enhanced vaporization, and incorporation of projectile material within the expansion plume (up to 5% of meteoritic material identified in some distal K–Pg boundary sites), the impact velocity, and the volatile-rich target lithologies. The suevite unit is mainly made of angular to sub-rounded clasts in a fine-grained, micritic carbonate matrix, with a general trend of increasing clast size with increasing depth within the core (from <1 cm at 620 mbsf to more than ~10 cm at 710–720 mbsf). Clast types are mainly altered vitric (glassy) melts, carbonates, impact melt rocks, shocked and unshocked minerals (quartz, and feldspar, generally derived from the crystalline basement), and pre-impact lithologies (e.g., granite, gneiss, dolerite, amphibolite). Fossils (mainly foraminifera) are also preserved within the matrix of the suevite unit. Quartz grains are shocked (PFs and PDFs), and some are toasted. Ballen silica is also present. In general, major element contents of the suevite show a decrease in CaO and an increase in SiO2 contents with increasing depth, due to the felsic basement clasts being more abundant in the lower part of the suevite over carbonates than in the upper part of the core. The suevite sequence was divided into three subunits, from top to bottom: (a) ~3.5 m-thick bedded suevite, (b) ~89 m-thick graded suevite, and (c) ~5.6 m-thick non-graded suevite. A possible scenario of the suevite sequence emplacement suggests that debris-poor ocean water entered the Chicxulub crater from a gap in the N-NE outer rim and reached the peak ring site ~30 minutes after the impact, interacting with the hot impact melt rock, and causing quench fragmentation (phreatomagmatic-like processes), leading to non-graded suevite emplacement. The following hours, the impact structure was flooded by debris-rich ocean resurge, leading to the deposition of the graded suevite. With the ocean resurge energy decreasing, seiche waves then dominated the deposition processes and formed the bedded suevite. Finally, less than twenty years after the impact, slow deposition of atmospheric fallout of very fine dust enriched in meteoritic material (~0.1% of chondritic component and positive iridium anomaly) lead to the formation of the transitional unit.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Chicxulub-Impaktstruktur Gipfelring Geochemie Petrologie Schockmetamorphose Impaktkraterbildung Impaktite Quarz Granit Impaktorkomponente
Schlagwörter
(Englisch)
Chicxulub impact structure peak ring geochemistry petrology shock metamorphism impact cratering impactites quartz granite impactor component
Autor*innen
Jean-Guillaume Feignon
Haupttitel (Englisch)
Petrography, geochemistry, and shock metamorphism of the impactites from the Chicxulub impact structure peak ring (Yucatán peninsula, Mexico) recovered by the IODPICDP Expedition 364 drilling
Paralleltitel (Deutsch)
Petrographie, Geochemie und Schockmetamorphose der Impaktite aus dem Gipfelring der Chicxulub-Impaktstruktur (Halbinsel Yucatán), die bei den Bohrungen der IODP-ICDP Expedition 364 geborgen wurden
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
XVIII, 394 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Claudia A. Trepmann ,
David T. Jr. King
AC Nummer
AC16691170
Utheses ID
64580
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 426 |