"Meteor crater" of de Barringerkrater in Arizona, gezien vanuit de lucht. Steve Jurvetson/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0

Inslagkraters op aarde: een lange weg naar ontdekking en enkele opvallende voorbeelden

In het noorden van Groenland heeft een team van wetenschappers een grote krater ontdekt, die ontstaan is door de inslag van een meteoriet, tussen 3 miljoen en 12.000 jaar geleden. Een zeer zeldzame ontdekking, zo noemde de leider van het team de vondst, en dat is niet gelogen. Op de aarde komen er immers niet zo veel van dergelijke grote inslagkraters voor, zeker niet in vergelijking met Mercurius, onze maan en andere manen en hemellichamen in ons zonnestelsel. 

Een inslagkrater is een doorgaans komvormige landschapsvorm, die in de bodem van een hemellichaam geslagen wordt door de inslag van een ander hemellichaam, meestal een meteoriet. Een inslagkrater bestaat uit twee delen, de eigenlijke krater of kom die de kraterdepressie wordt genoemd. Die wordt begrensd door een uitstekende kraterrand, grotere kraters hebben een rand met terassen, en in het midden een centrale berg of middenpiek.

Dergelijke grote kraters met terassen en een middenpiek noemt men complexe kraters, de andere eenvoudige kraters. Daarnaast zijn er ook nog grote kraters met in plaats van één centrale berg een ringvormige piek, piekring kraters. Bij heel grote kraters komen er in plaats van de kraterrand een aantal concentrische ringen voor, en die kraters noemt men dan inslagbekkens.

Het tweede deel van de inslagkrater noemt men de ejecta. Dat is materiaal dat bij de inslag weggeslingerd is, buiten de kraterrand. 

De structuur van een eenvoudige krater en een complexe krater, met in de depressie breccia, een gesteente dat is samengesteld uit brokstukken van ouder gesteente in een fijngranige matrix, en gesmolten of samengesmolten rots, onder de depressie gebarsten vast gesteente, ejecta, weggeslingerd materiaal, en bij de complexe krater, het opheffen van de centrale berg.

Impact of een vulkaan?

Na de vorming van ons zonnestelsel bleef er nog veel puin over tussen en rond de planeten dat dan op de planeten kon inslaan. Dat is nu nog te zien op planeten en manen die inactief zijn, zoals Mercurius en onze maan, waar inslagkraters nagenoeg onbeperkt bewaard blijven. Op Mercurius zijn er een 400-tal kraters met een naam, op de maan zijn dat er zo'n 1.600. Daarnaast zijn er nog veel meer zonder naam, en ook Mars, en dan vooral op de inactieve delen, de zuidelijke hooglanden, zijn er letterlijk honderdduizenden kraters groter dan 1 kilometer. Slechts een duizendtal daarvan hebben een naam.

Op planeten waar volop geologische processen gaande zijn, zoals Io, een maan van Jupiter, of die beschermd worden door een dikke dampkring, of beide, zoals de aarde en de Saturnus-maan Titan, zijn er veel minder sporen van inslagen te vinden omdat die uitgewist worden door erosie, of begraven of getransformeerd worden door tektonische verschijnselen. Op aarde worden impactkraters dan ook vooral gevonden in de stabiele oude schilden in het midden van continenten, en net heel weinig in zee. De zeebodem is immers moeilijker te onderzoeken, verandert behoorlijk snel, en verdwijnt door subductie onder de lichtere continentale aardplaten in het binnenste van de aarde. 

Een bijkomend probleem is dat op aarde er ook "niet-explosieve vulkaankraters" voorkomen en dat het niet altijd makkelijk is om uit te maken waardoor een krater ontstaan is, vulkanische processen of een inslag. Vulkaankraters hebben meestal wel een meer onregelmatige vorm, en kenmerkend voor inslagkraters is de aanwezigheid van rots die vervormd is door de enorme schok van de impact.  

Toch gingen de meeste geologen er lang vanuit dat kraters ontstaan waren door vulkanische processen, en pas in 1960 werd voor het eerst bewezen dat een krater het gevolg was van een inslag. En die krater was Meteor Crater of de Barringerkrater, in de woestijn in Arizona in de VS. 

"Meteor Crater" of de Barringerkrater in Arizona vanop het bovenste uitkijkplatform aan het bezoekerscentrum (Foto: Tsaiproject/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0)

De eerste bewezen inslagkrater

In het begin van de vorige eeuw was de mijningenieur Daniel M. Barringer de trotse eigenaar van een heuse krater - 170 meter diep en met een diameter van 1,3 kilometer-  in de woestijn van Arizona, de "Meteor Crater", die nu ook de Barringerkrater genoemd wordt. Zoals de naam al aangeeft, was Barringer ervan overtuigd dat de krater het gevolg was van een kosmische gebeurtenis, en hij was dan ook druk op zoek naar het waardevolle ijzer waarvan hij aannam dat het zou overgebleven zijn van de meteoriet. De meeste geologen uit die tijd namen echter aan dat de krater het resultaat was van een uitbarsting van vulkanische stoom.

Barringer kreeg echter hulp uit een onverwachte hoek, namelijk de maan. In 1893 had de Amerikaanse geoloog G.K. Gilbert - die Meteor Crater onderzocht had en aangekondigd had dat hij veroorzaakt was door vulkanische stoom - wel al geopperd dat de kraters op de maan het gevolg waren van inslagen van grote asteroïden, en in 1949 schreef de astronoom Ralph Baldwin dat het grootste deel van de kraters op de maan veroorzaakt waren door inslagen. Begin de jaren 60 pikte de geoloog en grondlegger van de studie van de planeten, Eugene "Gene" Shoemaker dat idee opnieuw op. En als de maan zo veel kraters vertoonde, dan was alleen maar logisch dat er op de aarde ook moesten zijn. 

Voor zijn doctoraatsthesis aan Princeton bestudeerde Shoemaker de Meteor Crater en in 1960 kwam er een doorbraak: Shoemaker en de geoloog Edward C.T. Chao vonden in de krater coesiet  en stishoviet, twee vormen van siliciumdioxide die enkel gevormd worden bij extreem hoge druk en hoge temperaturen. Ze kunnen niet ontstaan bij vulkanische processen, en vormden dus het bewijs voor de stelling van Barringer dat zijn krater wel degelijk door de impact van een meteoriet gevormd was. Helaas voor hem was het grootste deel van de meteoriet verdampt, en bleef er slechts weinig van over in de krater.

Gewapend met de kennis dat ze op zoek moesten naar gesteenten die een metamorfose hadden ondergaan door een hevige schok, begonnen de astronoom Carlyle Beals en zijn collega's van het Dominion Astrophysical Observatory in Victoria, Canada, en geoloog Wolf von Engelhardt van de Eberhard Karls Universität Tübingen in Duitsland, een gerichte zoektocht naar inslagkraters op aarde. 

Tegen 1970 hadden ze meer dan 50 vermoedelijke inslagkraters geïdentificeerd, maar hun werk botste nog steeds op scepticisme. Opnieuw kwam er hulp van de maan, waar de Apollo-maanlandingen, die nu volop aan de gang waren, bewijzen leverden voor het feit dat de maan enorm veel getroffen was door inslagen. Op de maan blijven die zo goed als eeuwig zichtbaar omdat er nauwelijks erosie is, en op aarde is dat niet het geval. Maar aangezien de aarde normaal gezien ongeveer hetzelfde aantal inslagen moet meegemaakt hebben als de maan, was het duidelijk dat op aarde die niet gezien konden worden door alleen de evidente kraters te tellen, en dat men ook op zoek moest gaan naar meer verborgen exemplaren. 

Intussen zitten er in de Earth Impact Database 190 kraters waarvan het vaststaat dat ze veroorzaakt zijn door de inslag van een meteoriet. Ze variëren in grootte van nauwelijks 13 meter tot 300 kilometer, en in ouderdom van enkele tientallen jaren - de Sikhote-Alin kraters in Rusland waarvan we het ontstaan in 1947 meegemaakt hebben - tot meer dan twee miljard jaar, hoewel de meeste minder dan 500 miljoen jaar oud zijn.  

Een volgende ontdekking van Shoemaker en Chao was de vondst van coesiet in bouwstenen van sueviet - een breccia-gesteente dat voor een deel uit gesmolten materiaal bestaat, onder meer glas - in de kerk en het stadhuis van de Duitse stadje Nördlingen, meteen onze volgende inslagkrater. 

Reliëfkaart van de Nördlinger Ries.

De Nördlinger Ries, of diamonds under the soles of our shoes.

De Nördlinger Ries is een grote cirkelvormige depressie in het westen van de Duitse deelstaat Beieren. Aangenomen werd dat het ging om een vulkanisch fenomeen, tot in 1960, zoals gezegd, Shoemaker en Chao aantoonden dat de depressie het gevolg was van een meteorietinslag, omdat er gesteenten waren gevonden die alleen gevormd kunnen worden door de enorme druk die ontstaan bij een inslag. 

De krater wordt de Rieskrater of eenvoudigweg de Ries genoemd, en geschat wordt dat de oorspronkelijke kraterwand een diameter had van 24 kilometer. De bodem van de depressie ligt nu zo'n 100 tot 150 meter onder de nu geërodeerde overblijfselen van de wand. 

In de buurt van de Ries ligt nog een kleinere krater, de Steinheimkrater met een diameter van 3,8 kilometer, en gedacht wordt dat de twee kraters gelijktijdig gevormd zijn door de inslag, zo'n 15 miljoen jaar geleden, van een binaire asteroïde. Volgens computermodellen moet de asteroïde die de grote krater gevormd heeft een diameter van zo'n 1,5 kilometer gehad hebben, en die van de kleine krater een diameter van zo'n 150 meter. De ontploffing die er het gevolg van was had een kracht van 1,8 miljoen Hiroshima atoombommen. 

Aangenomen wordt dat de inslag de oorsprong vormt van moldaviet in Bohemië en Moravië in de Tsjechische republiek. Moldaviet is een groen tektiet, en tektieten zijn gestolde stukjes van aardse gesteenten die na de inslag van een meteoriet smelten, weggeslingerd worden, en tijdens hun val terug naar de aarde stollen tot een glasachtig materiaal. In dit geval zijn de tektieten bijna 500 kilometer ver van de krater terechtgekomen, in Bohemië en Moravië dus. 

De Nördlingen Ries vertoont twee eigenaardigheden. De eerste is dat het een walkrater (rampart crater) is, de enige op aarde. Walkraters worden voor de rest bijna uitsluitend op Mars gevonden, wat te maken heeft met het feit dat onder het oppervlak van Mars vaak ijs zit. Walkraters vertonen een vloeibare ejecta - het materiaal dat wordt uitgestoten buiten de krater -, die lijkt op een modderstroom, en de impact van een meteoriet die een walkrater oplevert, wordt wel eens vergeleken met een kogel in modder afschieten. Walkraters hebben een ejecta met een lage richel langs de rand. 

Een tweede opmerkelijk feit is dat de oude stenen gebouwen in Nördlingen vol zitten met miljoenen kleine diamantjes, met een diameter van minder dan 2 tienden van een millimeter. Geschat wordt dat er 72.000 ton van de kleine diamantjes werd gecreëerd toen de meteoriet een plaatselijke afzetting van grafiet raakte. Grafiet is een vorm van koolstof, en diamanten ontstaan uit koolstof dat onder hoge druk komt te staan, en dus heeft de enorme druk van de impact de koolstof ook hier in diamant verandert. De diamantjes zijn dan in het sueviet terechtgekomen waarin Shoemaker en Chao ook al het coesiet hadden gevonden. En de inwoners van Nördlingen hebben dat sueviet gebruikt om onder meer hun kerk en hun stadhuis mee te bouwen. 

Het portaal van het stadhuis van Nördlingen, gebouwd uit sueviet waarin miljoenen minuscule diamantjes zitten. (Foto: Mussklprozz/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0)

Het einde van de dino's: Chicxulub

Een voorstelling van de inslag van de meteoriet in de zee bij het Mexicaanse schiereiland Yucatan.

De Chicxulubkrater is een impactkrater die deels in zee ligt, en deels verscholen onder het Yucatanschiereiland in Mexico. De diameter van de krater wordt geschat op zo'n 150 kilometer, en daarmee is het de op een na grootste, bevestigde inslagkrater op aarde. Recent onderzoek wijst er zelfs op dat de diameter wel 300 kilometer zou kunnen zijn, en dat de ring op 150 kilometer slechts een binnenste wand zou zijn. Daarmee zou de Chicxulubkrater dan even groot zijn als de grootste bevestigde krater, de Vredefortkrater in Zuid-Afrika. 

De krater is ook erg diep, zo'n 20 kilometer. Dat is al een flink stuk in de continentale lithosfeer, de continentale plaat die daar het land vormt en zo'n 10 tot 30 kilometer diep reikt. 

De krater is ontstaan door de inslag van een asteroïde met een diameter van 10 tot 15 kilometer, en de energie die daarbij opgewekt werd, wordt geschat op 10 miljard Hiroshima atoombommen. 

De Chicxulubkrater is de enige piekring krater op aarde waarvan de piekring intact is en onderzocht kan worden, zij het dat hij nu bedekt is met een 600 meter dikke afzettingslaag.

De inslag van de meteoriet vond iets minder dan 66 miljoen jaar geleden plaats, en dat stemt precies overeen met de geologische Krijt-Paleogeengrens, de overgang tussen de tijdvakken van het Krijt en het Paleogeen. Op die grens heeft een massa-uitsterving plaatsgevonden waarin 75 procent van alle dier- en plantensoorten op aarde uitgestorven zijn, ook de niet-aviaire dinosauriërs. 

Algemeen wordt nu aanvaard dat die inslag en de daaropvolgende rampzalige wereldwijde gevolgen ervan, inderdaad de oorzaak zijn geweest van de uitstervingsgolf, en dat wordt ook bevestigd door de aanwezigheid van een dun laagje klei in afzettingen over heel de wereld uit die periode. Dat laagje is bijzonder rijk aan iridium, een metaal dat in de aardkorst normaal slechts voorkomt in een verhouding van 0,4 delen per miljard, maar in het laagje klei wel 6 delen per miljard haalt. En meteorieten kunnen wel 470 delen iridium per miljard bevatten, zodat aangenomen wordt dat het iridium zich via de atmosfeer over de aarde verspreid heeft toen de meteoriet voor het grootste deel verdampt is bij de inslag.

De Chicxulubkrater in Mexico. Het centrum ligt dichtbij het kuststadje Chicxulub, waarvan de krater zijn naam heeft.

Graniet uit de aardkorst, een megatsunami en een wereldwijde wolk zwaveldioxide

Begin 2016 heeft een internationaal team boringen uitgevoerd om stalen van de piekring te kunnen nemen. Het was de bedoeling tot 1.500 meter onder de zeebodem te raken, maar de expeditie moest afgeblazen worden toen men op 1.335 meter zat, toch nog altijd een behoorlijk resultaat. 

Uit een nauwgezet onderzoek van de boorkernen heeft men een beter beeld kunnen krijgen van wat er gebeurd is tijdens en na de inslag. 

Een eerste opvallende vaststelling was dat de piekring uit roze graniet bestond, een mineraal dat normaal niet voorkomt in afzettingen op de zeebodem, maar wel diep in de aarde. Het graniet was ook lichter en zwakker dan normaal graniet, wat doet veronderstellen dat de impact zodanig hevig was dat dat hij rotsen diep in de aardkorst gesmolten en onder grote druk gezet heeft, en dat die vervolgens uitgestoten zijn naar de oppervlakte. 

Een tweede opvallende vaststelling was het ontbreken van gips, een rots die de zwavelverbinding sulfaat bevat, en die bijna altijd gevonden wordt op de ondiepe zeebodem in het gebied. Aangenomen wordt dat al het gips in de buurt van de impact verdampt is en in de atmosfeer is terechtgekomen, wat zeer slecht nieuws was voor de dino's en de andere levensvormen op aarde. In de atmosfeer heeft dat immers een dichte wolk van zwaveldioxide gevormd, die samen met het stof van andere verpulverde rots jaren is blijven hangen, en het zonlicht heeft tegengehouden. Dat heeft dan geleid tot een wereldwijde "nucleaire winter", met flinke temperatuurdalingen en catastrofale gevolgen voor de voedselketen. 

Nog uit de boringen is gebleken dat de inslag ook een megatsunami heeft veroorzaakt, die op de piekring de dikste afzetting van gelaagd zand heeft neergezet die we kennen. Die afzetting is zo'n 100 meter dik en typisch eraan is dat de zwaarste deeltjes eerst afgezet, gevolgd door lichtere en kleinere korrels, een typisch verschijnsel bij extreme bewegingen van water.  De megatsunami heeft waarschijnlijk slachtoffers gemaakt tot in New Jesey, waar uit die tijd een dik bed van beenderen van zeedieren is gevonden, en tot in Patagonië in het uiterste zuiden van Zuid-Amerika, waar een dik bed van dinosaurusbeenderen is gevonden uit deze periode. 

In zekere zin hebben die zeedieren en dinsoauriërs geluk gehad, want zij zijn een snelle dood gestorven, in tegenstelling met veel van hun soortgenoten, die in de donkere, koude aarde van na de inslag trager aan hun eind zijn gekomen. En in zekere zin hebben wij mensen ook geluk gehad met deze meterorietinslag: het einde van de dinosauriërs heeft immers de weg vrij gemaakt voor de zoogdieren, en zo uiteindelijk ook voor ons.