Cratere Kamil (Egitto): un laboratorio naturale per studiare il metamorfismo di shock e la fusione di impatto

Tradurre dall’inglese all’italiano è un’operazione per me molto difficile, anche a causa dei numerosi termini intraducibili, ad ogni modo in questa fredda domenica mi sono fatta forza e ho tradotto l’articolo che ho scritto per il numero di gennaio della rivista Meteorite-Times (era una promessa). Meteorite-Times è una rivista bimensile per appassionati di meteoriti disponibile solo in formato elettronico: http://www.meteorite-times.com/. L’articolo nella sua versione originale lo trovate qui.

Cratere Kamil (Egitto): un laboratorio naturale per studiare il metamorfismo di shock e la fusione di impatto

Il crater Kamil è uno dei crateri di impatto più recentemente scoperti sulla Terra. E’ stato accidentalmente riconosciuto  nel 2008 da Vincenzo De Michele grazie a Google Earth durante la ricerca di rovine di insediamenti preistorici nel deserto roccioso dell’Egitto sud-occidentale (22°01’06’’N, 26°05’16’’E; Figura 1). Nel 2010, è stata organizzata una spedizione congiunta Italo-Egiziana per campionare i frammenti della meteorite e per condurre alcune indagini geofisiche (ad esempio indagini rada e geomagnetiche).

Fig. 1 Kamil Figura 1. Immagine satellitare QuickBird (22 Ottobre 2006; cortesia di Telespazio) dell’area del cratere Kamil (Egitto).

Kamil è un cratere semplice di soli 45 m di diametro. E’ stato generato dall’impatto iperveloce (> 3 km/s) della meteorite metallica Gebel Kamil contro le arenarie cretacee della formazione del Gilf Kebir. Sulla base di evidenze archeologiche l’impatto è avvenuto probabilmente meno di 5000 anni fa.

Kamil può essere considerato come un laboratorio naturale per studiare sia il processo di craterizzazione di piccole meteoriti (circa 1 m di diametro) sulla Terra sia le conseguenze che questi impatti producono per tre ragioni principali:

  1. Inquadramento geologico. L’impatto ha interessato rocce sedimentarie ricche di quarzo. Il quarzo (SiO2) è il minerale in cui gli effetti di shock sono meglio studiati per la sua struttura cristallina e per la sua abbondanza sulla superficie terrestre (e.g. Langenhorst and Deutsch, 2012, Elements)
  2. Cratere di piccole dimensioni. Kamil ha un diametro di 45 m. Sulla Terra, i crateri con diametro inferiore ai 300 m di diametro sono rari (solo 17 su 184, Earth impact Database). Tuttavia studi statistici stimano che meteoriti capaci di formare crateri di impatto con dimensioni inferiori ai 300 m di diametro raggiungono la terra con scadenza da decennale a secolare (Bland and Artemieva, 2006, MAPS). Dovremmo quindi avere molti più crateri piccoli sulla Terra, ma i crateri di piccole dimensioni sono più facilmente obliterati dall’azione degli agenti atmosferici e dai processi geologici (ad esempio processi tettonici, di erosione o di sedimentazione).
  3. Stato di conservazione. Kamil è uno dei crateri meglio preservati della Terra, come si vede anche dalla Figura 1 dove si riconosce il deposito di ejecta raggiato. L’ottimo stato di preservazione ci permette di studiare e di riconoscere effetti di shock che non sono mai stati associati ai piccoli crateri di impatto.

Nell’ambito del mio dottorato di ricerca sto studiando gli effetti del metamorfismo di shock e la fusione di impatto registrati dalle rocce dell’area di Kamil. All’ultima conferenza annuale della Meteoritical Society a Casablanca (8-12 Settembre 2014) ho presentato due lavori. Grazie a quello intitolato “Shock metamorphism and impact melting in small impact craters on Earth: Evidence from Kamil Crater, Egypt”,  (autori A. Fazio, L. Folco, M. D’Orazio, M. Frezzotti, and C. Cordier) ho vinto il Brian Mason Award per le spese di viaggio e di congresso (valore 1000 $). Questo premio è finanziato dall’associazione internazionali di collezionisti di meteoriti (IMCA). L’articolo legato a questo lavoro è stato pubblicato nel numero di dicembre della rivista scientifica Meteoritics & Planetary Science e qui riporterò un riassunto dei principali risultati di questo studio.

Questo lavoro è un dettagliato report della petrografia e di alcune osservazioni chimiche di campioni provenienti dalle pareti del cratere e dai depositi di ejecta. I campioni delle pareti del cratere non mostrano effetti di shock. Sono principalmente costituite da quarzo (fino al 99 vol.%). Le fasi accessorie più comuni sono ossidi di ferro e titanio, zircone, e tormalina. La matrice è composta da caolino e in misura minore da ossidi di ferro. La porosità di queste rocce è bassa (< 4 vol.%).

Effetti di shock sono stati registrati sono nei frammenti di arenaria dei depositi di ejecta. Questi frammenti mostrano un set di effetti di shock quasi completo: fratturazione (Figura 2), strutture di deformazione planari1 (PDFs) nel quarzo (Figura 3a) e nella tormalina, decomposizione dello zircone (Figura 3b), polimorfi2 di alta pressione del quarzo (coesite (Figura 4) e stishovite), diamante, vene di vetro (Figura 5) e pellicole di vetro sugli shatter cones(Figura 6).

Fig. 2 Fracturing Figura 2. Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) che mostra l’intensa fratturazione di un’arenaria di Kamil. 

Fig. 3 PDF Figura 3. Due immagini SEM a) strutture di deformazioni planari; b) strutture di deformazione planari, il cristallo bianco è uno zircone decomposto. A causa dello shock lo zircone ZrSiOsi decompone in due fasi la baddeleyite ZrOe una fase di SiO2

Fig. 4 Coesite Figura 4. Coesite, polimorfo di alta pressione del quarzo. a) Spettro Raman della coesite da sola e della coesite associato a un vetro di SiO.b) Immagine al microscopio ottico di una zona a coesite, c) Immagine al SEM della stessa zona mostrata in b). Le frecce in b) e c) indicano la stessa vescicola d) Dettaglio del rettangolo in c) in cui si possono riconoscere microscopici cristallini di coesite immersi nel vetro. Strutture simili a queste sono state riportate nell’arenaria shockata del cratere Barringer (Arizona).  

Fig. 5 Melt vein Figura 5. Due immagini SEM di una vena di vetro in un’aranaria ejettata. La vena è finemente vescicolata e possono contenere dei relitti di quarzo. La composizione è simile a quella della matrice.

 Fig. 6 Shatter cone Figura 6. Shatter cones. a) campione a mano. b) Dettaglio delle strie, si vendono inoltre delle chiazze bianche che sono le pellicole di vetro che si formano sulla superficie degli shatter cones. c) Dettaglio della pellicola di vetro. d) Immagine al SEM della pellicola di vetro.

Oltre ai frammenti di arenaria, lapilli e bombe di vetro di impatto sono stati trovati nel deposito di ejecta. Due tipi di vetro formano questi lapilli e bombe: un vetro bianco e un vetro scuro (Figura 7). Il vetro bianco è molto vescicolare e quasi esclusivamente fatto da SiO2 (lechatelierite). Il vetro scuro è un vetro silicatico contenente anche alluminio (Al), ferro (Fe) e nichel (Ni). Il vetro scuro include frammenti (da pochi micrometri a qualche millimetro) di arenaria shockata, lechatelierite, e vetro diaplettico e sferule metalliche di Ni e Fe. La presenza di due tipi di vetro indica la meteorite metallica ha contaminato in modo diverso i vetri di impatto (interazione trascurabile per il vetro bianco, estesa e complessa per il vetro scuro).

Fig. 7 Impact melt masses Figura 7. Due bombe di vetro di impatto. a) Bomba di vetro bianco. b) Bomba di vetro scuro con indicate alcune inclusioni (MF = frammento di meteorite; SC = arenaria shockata; LG = lechatelierite).

Le caratteristiche di shock trovate a Kamil sono state divise in due categorie: 1- pervasive e 2- localizzate. Gli effetti pervasivi comprendono la fratturazione, i PDFs, e i lapilli e bombe di vetro di impatto, queste occupano circa il 100 in volume del campione studiato. Questi effetti riflettono la pressione di shock subita durante l’impatto: la fratturazione indica pressioni <5 GPa (gigapascal), PDFs 20-25 GPa e lapilli e bombe di vetro di impatto 30-60 GPa. Gli effetti localizzati includono i polimorfi di alta pressione (coesite, stishovite e diamante), vene e pellicole di vetro. Questi occupano meno dell 1 vol.% del campione studiato. Sono prodotti come conseguenza di un locale aumento della pressione e temperatura in corrispondenza di eterogeneità preesistenti nell’arenaria.

La pressione massima di shock registrata a Kamil può essere raggiunta attraverso velocità di impatto tra 5.0 km/s (30 GPa) e 7.5 km/s (60 GPa) considerando un angolo di impatto della meteorite di 45°.

In conclusione, da Kamil impariamo che gli impatti iperveloci di meteoriti metalliche metriche possono produrre effetti di shock simili a quelli osservati in crateri di dimensioni chilometriche. La giovane era del cratere (probabilmente < 5000 anni), le proprietà delle rocce impattate e il basso tasso di erosione del deserto del Sahara hanno giocato un ruolo cruciale nella preservazione di tutte queste caratteristiche di shock. Inoltre, Kamil è la più piccola struttura di impatto dove shatter cones, coesite, stishovite, diamante e vetri di impatto sono stati riportati.

NOTE

1 Strutture di deformazione planari (in inglese: Planar deformation features; abbreviazione PDFs) = Sono lamelle microscopiche di materiale amorfo (vetro) che si sviluppano come conseguenza dello shock lungo piani cristallografici in diversi minerali, principalmente nel quarzo. Si possono formare solo a causa di impatti iperveloci.

2 Polimorfi = minerali che hanno la stessa composizione chimica e diversa struttura cristallina (l’esempio più famoso è quello della grafite e del diamante entrambi sono minerali di solo carbonio, ma gli atomi di C sono distribuiti in modo diverso nei due minerali).

3 Shatter Cones = sono l’unico effetto di shock macroscopico (da pochi centimetri a diversi metri). Si tratta di strutture striate disposte conicamente come a coda di cavallo. Si possono formare solo a causa di impatti iperveloci.

4 Vetro diaplettico = è un vetro di SiO2 (stessa composizione del quarzo) prodotto come conseguenza dello shock senza il passaggio dallo stato liquido, questo lo differenzia dall’altro vetro di SiOla lechatelierite.

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Pubblicato il 8 febbraio 2015, in Agnes at work con tag , , , , , , , . Aggiungi il permalink ai segnalibri. 2 commenti.

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