escherrer@bluewin.ch Andreas Scherrer1 Anmerkung: Dieser Vortrag wurde im Freien (d.h. vor Ort) gehalten. Das Anschauungsmaterial (wie Plakate und Bilder in Büchern) habe ich nicht gescannt und es ist zum grössten Teil in den Abfall gewandert. (Sorry :-( ) Der Vortrag wurde im 11. Schuljahr am Mathi-Gymnasium Rämibühl Zürich gehalten und mit 5.75 bewertet. Orientierung Wir befinden uns auf dem Burgstall, 520 Meter über Meer. Das Steinheimer Becken misst etwa 3 Kilometer im Durchmesser. Im Becken hat es zwei Ortschaften, nämlich Sontheim am Eingang zum Steinheimer Becken und Steinheim hinter dem Hügel in der Mitte des Kraters. Er heisst Steinhirt oder Klosterberg und ist 579 Meter hoch. Der Kraterrand ist durchschnittlich etwa 60 m höher als der Beckenboden. Das Steinheimer Becken und das Stubental bekannte, wo unser Car parkiert ist, werden in Richtung Osten entwässert. 7 km östlich von hier fliesst das Wasser bei Heidenheim in die Brenz. Heidenheim ist die grösste Ortschaft in der näheren Umgebung. Allgemeine Meteoritenkunde Ein Meteorit ist ein natürlicher Körper aus dem Weltraum. Er ist wesentlich kleiner als der Körper, mit dem er kollidiert. Auch als Meteorit wird der feste Rest bezeichnet, den wir auf der Erde finden. Meteore und Sternschnuppen sind die Himmelserscheinungen die beim Atmosphährendurchgang eines Meteoriten beobachtet werden. Meteorite lassen sich in vier Gruppen unterteilen: Eis-Stein-Meteorite: das sind Kometen oder Reste derselben Steinmeteorite bestehen vorwiegend aus silikaten, der wichtigsten Mineralgruppe. Stein-Eisen-Meteorite bestehen zur Hälfte aus Nickel-Eisen-Masse und Silikaten. Eisenmeteorite haben ein hohes spezifisches Gewicht und eine rostrote Farbe. Über 90% aller beobachteten Meteoritenfälle sind Steinmeteorite. Ob ein Meteorit den Erdboden erreicht hängt weitgehend von seiner Beschaffenheit und seiner Masse ab. Wiegt er unter 10 kg wird er wahrscheinlich vollständig verglühen. Die meisten Sternschnuppen sind jedoch nur reiskorngrosse Stückchen. Schwerere Meteoriten durchstossen die Atmosphäre unter Donner und Lichterscheinungen. Je nachdem ob sie gegen oder mit der Bewegungsrichtung der Erde fliegen bewegt sich ihre Geschwindigkeit zwischen 11 und 72 km/s. In der Atmosphäre werden sie gebremst und aufgeheizt, so dass der am Boden aufgefundene Rest von einer Schmelzkruste umhüllt ist. Grosse Meteoriten werden kaum gebremst. Beim Aufschlag dringen sie tief in den Boden ein und sprengen Krater aus. Unter der Einschlagsstelle finden Gesteinsumwandlungen durch Druck statt. Die Drücke können bis zu 5000 kbar betragen. Zur Erinnerung: 1 bar ist der Luftdruck auf Meereshöhe! Vor dem Beginn des Raumfahrtzeitalters bestand die einzige Möglichkeit, ausserirdische Materie kennenzulernen, darin, Meteorite zu untersuchen. Die Raumfahrt brachte uns aber trotzdem nur Materie aus nächster Umgebung. Meteorite hingegen kommen aus weit entfernten Teilen des Sonnensystems. Sie sind mit 4 Milliarden Jahren auch die älteste bisher Materie. In ihnen liegt uns fast unveränderte Urmaterie vor!
escherrer@bluewin.ch Andreas Scherrer2 Die Entstehung des Steinheimer Beckens Das Nördlinger Ries und das Steinheimer Becken sind die einzigen nachgewiesenen Einschläge kosmischer Körper in Deutschland. Sie entstanden vor etwa 14 Millionen Jahren. Die Forscher sind sich nicht einig ob die zwei so nahe beieinander liegenden Krater durch einen Meteoriten entstanden sind, der beim Eintritt in die Atmosphäre auseinandergebrochen ist oder ob zwei Meteore die schon im All nebeneinander hergeflogen sind auf die Erde stürzten oder ob durch einen riesigen Zufall innert kurzer Zeit (d.h. mit etwa 100 000 Jahren abstand) zwei Meteoriten so nah beieinander eingeschlagen haben (Die Distanz von hier zum Nördlinger Ries beträgt etwa 40 km). Die Feststellung, ob es sich um nur einen Meteoriten gehandelt hat, wird erschwert durch die Tatsache, dass die beim Einschlag entstehenden Temperaturen von 10 000-40 000 C den kosmischen Körper verdampfen lassen und man keine Rückstände vergleichen kann. Was passiert genau wenn ein Meteorit einschlägt? Im Falle des Meteoriten, der das Steinheimer Becken bildete, handelte es sich sehr wahrscheinlich um einen Steinmeteoriten, der Eisen Nickel und Chrom enthielt. Sein Durchmesser (vorausgesetzt er war annäherungsweise eine Kugel) war ca. 140 m und die Einschlaggeschwindigkeit 20 km/s (66fache Schallgeschwindigkeit). Man hörte ihn also nicht kommen! Wenn man eine höhere Einschlaggeschwindigkeit annimmt, was durchaus möglich ist, wäre sein Durchmesser kleiner. Das einzige was man sicher weiss, ist dass die Endgeschwindigkeit eines Meteoriten dieser Grösse zwischen 11 und 72 km/s liegt. Beim Einschlag laufen gewaltige Stosswellen durch das getroffene Gestein und den Meteoriten. Diese erzeugen riesige Drücke und die Temperatur um den Meteoriten steigt auf ca. 20 000 C. Die oberste Verwitterungsdecke spritzt zur Seite. Das darunterliegende Gestein schmilzt und verdampft. Das Grundwasser und die Materie des Meteoriten wird weit in die Luft geschleudert. Während der vordere Teil des Meteoriten gebremst wird, schlägt der Rest bis ins Grundgebirge ein. Die Stosswellen sprengen den Krater um den Einschusskanal herum aus. Riesige Gesteinsstücke (z.t. so gross wie Häuser) fliegen durch die Luft. All dieses Gestein kommt aus den oberen Schichten um den Einschlagspunkt herum. Das Gestein unter dem Meteoriten kann nicht ausweichen und wird komprimiert oder verdampft. Wenn all das passiert ist, erreicht die Stosswelle, die durch den Rest des Meteoriten läuft, etwa die Rückseite des Körpers. Dadurch explodiert er. Sekundenbruchteile später erfolgt eine zweite, viel stärkere Explosion. Dann schnellt nämlich die unter der Wucht des Einschlags zusammengedrückte Erdkruste zurück. In der Folge wird der Krater erneut vergrössert und Gesteinstrümmer in die Luft geschleudert. Das zurückschnellende Gestein bildet in der Mitte des Kraters einen Zentralberg. Ihr könnt euch das ähnlich vorstellen wie das Aufspritzen in der Mitte der Wellenringe wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Die Gesteinstrümmer fallen kurz darauf im Umkreis von vielen Kilometern wieder herunter. In der näheren Umgebung des Kraters kommen die Trümmer hageldicht vom Himmel. Grosse Trümmer können sogar selber noch einmal kleine Krater bilden. Nachdem der ganze Auswurf meterdick wieder auf dem Boden liegt, steigt eine Wasser- Staub Wolke bis in die Stratosphäre auf. Die aus dem Zentrum des Kraters aufsteigende Glutwolke vermischt sich mit dem Staub und Wasserdampf. Nach dem Abkühlen fällt das Wasser in sturzbachartigen Regenfällen auf die Erde zurück. Noch wochenlang fällt staubiger Regen. Alles Leben im Umkreis von 50-100 km wird innert Sekunden ausgelöscht.
escherrer@bluewin.ch Andreas Scherrer3 Die Einschläge im heutigen Riesgebiet veränderten auch die Oberfläche der Erde nachhaltig. So fliessen heute Flüsse ins Schwarze Meer die früher in die Nordsee flossen. Was das anbelangt, ist der Rieseinschlag aber weitaus bedeutender als der des Steinheimer Beckens. Bau des Steinheimer Beckens Ringstrukturen mit Zentralberg Das Steinheimer Becken weist die für Meteoritenkrater typische, ringförmige Zonierung auf. Im Gegensatz zum Ries, einem anderen, 40 km nordöstlich gelegenen Meteoriteneinschlagskrater, hat das Steinheimer Becken in der Mitte einen Hügel. Der Zentralberg heisst laut Karte Klosterberg oder Steinhirt. Er misst etwa 1 km im Durchmesser. Der Kern des Zentralberges besteht aus Malm und Braunjura-Schichten, die im Umland etwa 300m tiefer liegen. Umgeben wird der Kern von Weissjurakalk. Der Zentralberg war früher von Seeablagerungen umhüllt, welche heute weitgehend abgetragen sind. Der Zentralberg entstand durch zurückfedern der Erdkruste nach dem Einschlag. Er ist also quasi eine steingewordene Welle. Zentralberge finden sich auf der Erde nur in Kratern mittlerer Grösse, d.h. 2-6 km Durchmesser. Das eigentliche Kraterbecken mit den Orten Steinheim und Sontheim befindet sich zwischen Zentralberg und innerem Kraterrand, der rund 1250m vom Zentrum entfernt liegt. Die Schollenzone besteht aus zertrümmerten und verschobenen, jedoch nicht ausgeworfenen Gesteinen. Sie umschliesst das Kraterbecken als Ring von 500 m breite. Rund um die Schollenzone verläuft der tektonische Kraterrand. Dies ist die äusserste Linie der Veränderung der Erdoberfläche und der darunterliegenden Schichten durch den Einschlag. Impaktgesteine Impaktgesteine sind durch Meteoriteneinschläge entstandene Gesteine. Sie zeigen allgemein Spuren von Krafteinwirkung. Impaktbrekzien Brekzien sind Festgesteine mit eckigen Gesteinstrümmern, zwischen denen sich eine Grundmasse oder ein Zement befindet. Impaktbrekzien entstehen auf verschiedene Weise bei einem Meteoriteneinschlag: Am Ort des Einschlags durch Zertrümmerung des Gesteins; diese nennt man Beckenbrekzie. Ausgeworfene Gesteine fallen nach dem Einschlag ungeordnet zurück; Die auf diese Weise entstandene Brekzie heisst Auswurf- oder Rückfallbrekzie Ein weiterer Typ ist die Reibungsbrekzie. Sie entsteht an Scherflächen, welche durch den Einschlag gegeneinander verschoben wurden. Primäre Beckenbrekzie: Die Primäre Beckenbrekzie besteht hier vor allem aus Kalken und Mergelsteinen des unteren und mittleren Malm, daneben sind Dogger und Liasanteile enthalten. Sie füllt den Kraterboden unter den tertiären Seeablagerungen. Nach Bohrungen beträgt die Dicke bis 50 m. Verkieselte Kalkbrekzie: Die verkieselte Kalkbrekzie (Stein zeigen) ist eine Reibungsbrekzie. Durch die Druckwelle wurden Teile des Kalkes an den Reibflächen zu einer griesähnlichen Masse zerrieben. In diese Masse sind Kalkstücke eingebettet, welche durch den Einschlag nicht pulverisiert wurden.
escherrer@bluewin.ch Andreas Scherrer4 Verkittet wird das Gemisch einerseits durch Kalk und andererseits durch Quarz. Die Bindung eines Gesteins mit Quarz nennt man Verkieselung. Sprengschollen Sprengschollen sind grössere, beim Einschlag nicht auseinandergebrochene Gesteinspakete die geschoben oder gekippt wurden. Als schönstes Beispiel dafür gelten hier im Steinheimer Becken die Galgenbergschollen, welche wir dort drüben als niederen Hügel sehen. Druckwirkungen Strahlenkalke Strahlenkalke sind das berühmteste meteoritische Phänomen im Steinheimer Becken. Sie entstehen unter der Einschlagstelle. Sie haben eine büschelig-strahlige Oberflächenstruktur. Für ihre Entstehung sind Drücke zwischen 15 und 200 kbar nötig. Gut ausgebildete Strahlen finden sich vor allem in feinkörnigen Gesteinen. Die Strahlenkalke sind Gemengeteile der Primären Beckenbrekzie. Palaentologie im Steinheimer Becken Die Palaentologie ist die Wissenschaft der Geschichte der Lebewesen auf der Erde und schöpft ihre Erkenntnisse aus Fossilien. Ein an Fossilien sehr reiches und darum in Fachkreisen international bekanntes Gebiet ist die schwäbisch-fränkische Alb. In Ablagerungen von Seen findet man gewöhnlich die Tierwelt eines fest umrissenen Zeitraumes. Das St.B. (wie übrigens auch das Nördlinger Ries) war vor etwa 14 Millionen Jahren von einem See erfüllt, da der Grundwasserspiegel damals einiges höher lag. Der See überlief an zwei Stellen. Die eine ist bei Sontheim und die zweite Richtung Heidenheim. An diesen Stellen wurde der Kraterrand wegerodiert und heute führen die Strassen durch diese Einschnitte aus dem Steinheimer Becken heraus. Die Existenz des Sees wird durch Algen, Klappen von Schalenkrebsen, Gehäusen von Süsswasserschnecken und vollständige Skelette von Fischen bezeugt. Das St.B. ist eine der reichsten Tertiärfundstellen des süddeutschen Raumes. Es finden sich neben Fischen auch Reste von Reptilien, Vögeln und Säugetieren. Die Bekanntheit des St.B. geht schon ins 19. Jh. zurück und basiert neben den zahlreichen Wirbeltierknochenfunden auch auf dem Schneckensand. Dies sind Ablagerungen in welchen kleine Süsswasserschnecken, Planorben genannt, zu Millionen eingeschlossen sind. Die ersten palaentologischen Indizien für die Richtigkeit der Darwin schen Evolutionslehre kamen aus Steinheim. Die Planorben im Schneckensand zeigen nämlich von unten nach oben eine mehr oder weniger kontinuierliche Entwicklung ihrer Gehäuse. Seit 1969 werden in Steinheim systematische Grabungen nach fossilen Wirbeltieren vorgenommen. Diese Grabungen finden im südlichen Teil der Pharion schen Sandgrube statt (im Westhang). Die Grabung bewegt sich also etwa im mittleren Bereich der Seeablagerung. Das Ziel der Grabung ist es, mit Hilfe möglichst vieler Fossilresten eine Rekonstruktion der Lebensverhältnisse am Steinheimer See zu ermöglichen. Zu den wichtigsten Funden gehören mehrere vollständige Skelette. Das eines Gabelhirsches, einer Schildkröte mit dazugehörendem Panzer und ein etwas rekonstruiertes Skelett eines Zwerghirsches. Der See im St.B. wurde zumindest zeitweise von Fröschen, Krokodilen, Süsswasserschildkröten, Wasservögeln, Bibern, Fischottern und ähnlichem bewohnt. Erhaltene Blattabdrücke sowie Früchte des Zürgelbaumes lassen auf eine reiche Vegetation in
escherrer@bluewin.ch Andreas Scherrer5 Nähe des Sees schliessen. Für die in der trockenen Umgebung der Albhochfläche lebenden Tiere war der See eine natürliche Tränke. So lebten in der Umgebung des Sees Landschnecken, Eidechsen, Schlangen, Landschildkröten, Fledermäuse, Eichhörnchen und Zwerghamster. Man fand auch Überreste von drei Schweinearten, Zwerghirschen, etwas grösseren Gabelhirschen, Tiere der weiten Verwandschaft der Giraffen, verschiedene Arten von Nashörnern, ein Urpferd und Verwandte der Elefanten. Bei der Säugetiergruppe Raubtiere fand man Marder, kleine Bären, Schleichkatzen und Säbelzahntiger. Diese reichen Tierbestände lebten vor ungefähr 14 Millionen Jahren am Steinheimer See in einem wesentlich wärmeren Klima als es heute hier herrscht. Wieso aber gibt es im St.B. so viele Fossilien? Das hat zwei Gründe: Zum einen hat die zeitweilige Austrocknung des Sees dazu geführt, dass die Fische an bestimmten Stellen, wo länger Wasser lag, zusammengedrängt wurden und dann alle dort verendeten. Bei den Wirbeltieren ist es etwas komplizierter. Immerhin verrät die Tatsache, das vollständige Skelette gefunden wurden, dass der Sterbeort und der Einbettungsort nicht sehr weit auseinander liegen können. Auch hier gibt es verschiedene Erklärungsversuche. Die Hypotese, die Knochen seien Überreste von gefressenen Tieren kann fast 100% ausgeschlossen werden, da an den Knochen nie Frassspuren gefunden wurden. Auch die Annahme, die Tiere seien ertrunken als der Seespiegel anstieg und der Zentralhügel auf den sie sich gerettet hatten unter Wasser gesetzt wurde, ist nicht über alle Zweifel erhaben. Immerhin die Vögel und ans Wasser angepasste Tiere wie Biber u.ä. hätten sich in diesem Fall retten können. Schon einiges Wahrscheinlicher ist folgende Theorie: Bestimmte feinkörnige Schichten der Seeablagerungen werden im Volksmund sehr treffend als Klebsand bezeichnet. Diese trocknen wenn sie freiliegen oberflächlich rasch an, bleiben aber darunter zäh und weich. So können gefährliche Fallen für junge unerfahrene und schwache alte Tiere auf dem Weg zur Tränke entstanden sein. Die so gefangen und gestorbenen Lebewesen wurden dann an Ort und Stelle konserviert.