Rätsel des Chicxulub-Kraters gelöstZehn Minuten, die die Welt veränderten

25. Oktober 2018, von Heiko Fuchs

Foto: ECORD/IODP/Smith

Das Liftboot „Myrtle“ während der Bohrungen im Chicxulub-Krater.

Foto: UHH/Riller

Die Chicxulub-Bohrkerne kurz vor deren Öffnung im Marum Bremen im April 2016.

Foto: UHH/Riller

Bohrkernlager im Marum Bremen. Eine riesige Halle, die permanent auf 4°C zur Erhaltung der Bohrkerne gekühlt ist.

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Sogenannter Suevit. Gesteinstrümmer, die während des Einschlages in die Atmosphäre geschleudert wurden und in den Krater zurückgefallen sind. Schwarze Fragmente sind im wahrsten Sinne des Wortes Glasscherben ─ in der Atmosphäre zu Glas erstarrte Tröpfchen von Gesteinsschmelze, hervorgerufen durch den Einschlag (Länge unterer Bildrand: 5 cm).

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Stark deformierter Granit aus dem Untergrund des Kraterbodens (Länge unterer Bildrand: 10 cm).

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Kleiner magmatischer Gang im Granitgestein, der schon vor dem Einschlag existierte und durch die Kraterbildung an kleinen Störungsflächen versetzt wurde (Länge unterer Bildrand: 8 cm).

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Zertrümmerter Granit, der sich mit der Einschlagsschmelze (schwarz) vermischt hat (Länge unterer Bildrand: 10 cm).

Seit Jahren untersuchen internationale Forschungsteams den Chicxulub-Einschlagskrater vor der Yucatán-Halbinsel (Mexiko), um die genaue Entstehung des gigantischen Kraters besser zu verstehen. Genau dieser Meteoriteneinschlag war für das riesige Artensterben auf der Erde verantwortlich, dem auch die Dinosaurier zum Opfer fielen. Einem internationalen Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Federführung von Prof. Dr. Ulrich Riller vom Fachbereich Geowissenschaften der Universität Hamburg ist es jetzt gelungen, die bisher rätselhafte Bildung des Kraters und des Ringgebirges, das sich im Inneren des Kraters mehrere Hundert Meter über dem sonst flachen Kraterboden erhebt, zu erklären.

Das Leben auf unserem Planeten würde heute ganz anders aussehen, wenn nicht vor 66 Millionen Jahren ein Meteorit mit einem Durchmesser von 14 Kilometern aus dem Weltall eine globale Katastrophe ausgelöst hätte. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 20.000 Kilometern pro Stunde bohrte sich der Meteorit Tausende Meter tief in die Erdkruste und jagte Schockwellen durch den Untergrund, wodurch ein 200 Kilometer großer Krater entstand und Gestein aus 15 Kilometer Tiefe an die Oberfläche befördert wurde. Der Meteorit verdampfte und seine Überreste finden sich heute häufig auf der Erde als eine mit Iridium angereicherte Schicht zwischen den geologischen Gesteinsschichten der Kreide- und Paläogen-Zeit (frühes Tertiär).

Fast alles Leben auf der Erde starb aus

Die Auswirkungen auf das Leben waren auf dem gesamten Planeten dramatisch: Riesige Flächenbrände wüteten, gewaltige Erdbeben erschütterten die Landmassen, Mega-Tsunamis rasten um die Erde, die Meere versauerten; aufgrund von Staub und Ruß verdunkelte sich der Himmel für viele Monate und es wurde für Jahrzehnte bitterkalt auf der Erde. Ungefähr 75 Prozent der damals vorhandenen Arten auf unserem Planeten starben aus und nur speziell angepasste oder anpassungsfähige Arten wie Vögel und Krokodile überlebten. Die bis dahin eher unbedeutenden Säugetiere besetzten die vielen frei gewordenen ökologischen Nischen und entwickelten eine bis dahin unerreichte Artenvielfalt, die auch zur Entstehung des Menschen führte. Es war, als ob der Chicxulub-Meteorit den „Zurücksetzen“-Schalter des Lebens auf der Erde getroffen hätte und so die Evolution in eine andere Richtung gelenkt hat.

Untersuchungen im Kraterzentrum

Die genaue Entstehung der charakteristischen Form des Kraters mit dem Ringgebirge im Inneren, konnte jetzt von dem Strukturgeologen Prof. Dr. Ulrich Riller geklärt werden. Prof. Riller gehört zu einem internationalen Team von 33 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die im Rahmen der Expedition 364 des „International Ocean Discovery Program“ (IODP) und des „International Continental Scientific Drilling Program“ (ICDP) im April und Mai 2016 eine Tiefbohrung im Chicxulub-Meteoritenkrater durchführten. Die Lage des Chicxulub-Kraters ist dabei ein Glücksfall für die Wissenschaft, denn er ist teilweise von Wasser und Sedimentgestein überdeckt, somit nicht den normalen Erosionsprozessen unterworfen und wurde dadurch für Millionen von Jahren konserviert.

Die „Myrtle“ bohrt rückwärts durch die Zeit

Da das Wasser im Gebiet der Bohrungen nur 19 Meter tief ist, konnten die sonst üblichen großen Bohrschiffe nicht verwendet werden und das kleine Liftboot „Myrtle“ kam zum Einsatz. An der Bohrstelle sind die Sedimentschichten 618 Meter dick und können Auskunft über die Entwicklung des Lebens nach dem Einschlag geben. Nach dem Durchdringen der Sedimentschichten wurde weiter bis in eine Tiefe von 1.350 Metern durch die am Einschlag beteiligten Gesteinsmassen gebohrt. Die Bohrkerne wurden in den USA mittels Computertomographie durchleuchtet und im Anschluss nach Bremen in das Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM) überführt, wo sich eine von weltweit drei Lagerstätten für solche Forschungsbohrkerne befindet und die detaillierten Untersuchungen starteten.

Mathematische Modelle zeigen die Entstehung des Ringgebirges

Ein Ziel der Forschungsarbeiten war die Erklärung der Entstehung des typischen Ringgebirges, das sich im Kraterinneren befindet und das man auch bei großen Kratern auf planetaren Körpern und deren Monden im Sonnensystem findet.

„Aus Computersimulationen weiß man, dass sich Krater dieser Größenordnung innerhalb von zehn Minuten bilden. Dies setzt voraus, dass sich das Gestein kurzzeitig wie eine Flüssigkeit verhält und am Ende der Kraterbildung wieder fest wird, um Ringgebirge auftürmen zu können“, erklärt Prof. Riller. Gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen konnte der Hamburger Forscher erstmalig die Serie von verschiedenen Deformationsmechanismen belegen, die dieses extreme mechanische Verhalten von Gestein bei einem Meteoriteneinschlag bewirkt. „Insbesondere unterstützen unsere Ergebnisse die Hypothese der sogenannten akustischen Fluidisierung, wonach sich Gestein, nachdem es durch den Meteoriteneinschlag katastrophal geschwächt wurde, durch oszillierende Druckfluktuationen vorübergehend wie eine zähflüssige Masse verhält“, fährt Prof. Riller fort. Auf die Spur brachte ihn eine Vielzahl von kleinen Zonen zerrütteten Gesteins – ein klarer Hinweis darauf, dass das Gestein einmal fließfähig war. Mit Hilfe von theoretischen Physikern vom Imperial College, London (UK) und der Purdue University, Indiana (USA) konnte das Team die Naturbeobachtungen in numerische Modelle übertragen. Diese wurden anschließend in einer Simulation des Einschlages zusammengeführt, die auch die Entstehung der Ringgebirge erklärt.

Wie große Meteoritenkrater tatsächlich entstehen

Bei dem Einschlag drang der Meteorit ca. 20 Kilometer tief in die Erdkruste ein. Die gigantische Bewegungsenergie des Meteorits wurde schlagartig in Wärme mit Temperaturen von bis zu 10.000 Grad Celsius umgewandelt. Dabei verdampften der Meteorit und Teile der Erdkruste vollständig. Die Schockwellen des Einschlages komprimierten und zertrümmerten die Gesteinsschichten bis in die Kristallstrukturen hinein. Durch diese Prozesse wurden die Gesteinsmassen viele Kilometer erst nach unten und dann nach außen beschleunigt, was den Krater innerhalb einer Minute bis zu einer Tiefe von 30 Kilometer wachsen ließ. In diesem Moment hätte man die höchsten Berge der Erde problemlos in dem ca. 100 Kilometer breiten Loch versenken können.
Nach wenigen Sekunden verhielten sich die stark komprimierten Gesteinsmassen wie eine zähe Flüssigkeit und wurden als Fontaine nach oben geschleudert. Dadurch entstand im Zentrum des Kraters ein bis zu 20 Kilometer hoher Zentralberg, der aber nicht stabil blieb, in sich zusammensackte und Gesteinsmassen in Richtung Kraterrand schob.
Auch die steilen Wände des riesigen Kraters fielen durch das eigene Gewicht in sich zusammen und schoben Gesteinsmaterial in Richtung Kraterzentrum, wo es ungefähr auf halber Strecke mit den Gesteinsmassen des kollabierenden Zentralbergs zusammentraf. Dort, wo die Gesteinsströme aus entgegengesetzter Richtung aufeinanderstießen, wurde Gestein nach oben geschoben und türmte sich zu einem Ringgebirge auf. Von dem Zentralberg blieb nur eine flache Ebene übrig. Die von der Kraterwand abgerutschten Gesteinsmassen hatten den Rand des Kraters weit nach außen verschoben. Nach wenigen Minuten war die Bildung des nun knapp 200 Kilometer breiten, aber flachen Kraters abgeschlossen.

(Abbilung: UHH/MIN/Fuchs)

Meteoriteneinschläge als geologischer Prozess

„Die Ergebnisse unseres Teams haben weitreichende Konsequenzen für das Verständnis der Bildung großer Einschlagskrater in unserem Sonnensystem“, sagt Prof. Riller. Die neuen Erkenntnisse könnten bei der zukünftigen Suche nach Bodenschätzen auf Planeten und Monden im Sonnensystem helfen. Wie man durch Untersuchungen des Sudbury-Meteoritenkraters in Kanada weiß, werden durch die enorm hohen Einschlagstemperaturen riesige Gesteinsmassen aufgeschmolzen und damit fein verteilte Erzminerale nach dem Hochofenprinzip in Form von ergiebigen Lagerstätten auf dem Kraterboden angereichert. „Meteoriteneinschläge sind die wichtigsten geologischen Prozesse in unserem Sonnensystem. Das wird oft verkannt“, merkt Prof. Riller an. Einschlagsprozesse können auf der Erde, den Planeten und Monden ohne Plattentektonik zur Veränderung der Oberflächen, zur Umwälzung von Gesteinsschichten, zur Bildung gigantischer Lagerstätten und wahrscheinlich auch zur Entwicklung von Leben führen.

Die Rückkehr des Lebens nach Chicxulub

Der Einschlag hatte im Krater und in der näheren Umgebung von Chicxulub alles terrestrische und marine Leben ausgelöscht, den Bereich geradezu sterilisiert. Neue Untersuchungen, an denen Prof. Riller ebenfalls beteiligt war, haben herausgefunden, dass der Krater innerhalb weniger Jahre wieder Meeresleben beherbergte. In den Sedimentschichten im Krater fand man Höhlen von kleinen Garnelen oder Würmern, die die Rückkehr des marinen Lebens zwei bis drei Jahre nach dem Einschlag belegen. 30.000 Jahre später war das Leben in voller Blüte zurückgekehrt. Im Gegensatz dazu benötigten andere Gebiete auf der Erde immerhin 300.000 Jahre, bis sie sich in ähnlicher Weise von den Auswirkungen des Chicxulub-Meteoriteneinschlags erholt hatten, was wiederum zeigt, dass die Rückkehr des Lebens nach einer globalen Katastrophe stark von lokalen Gegebenheiten abhängt.