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Die Entstehung der beim Einschlag großer Meteoriten entstehenden Strahlenkegel (shatter cones) wird von vielen offenen Fragen begleitet. Eine davon betrifft Funde von Doppelstrahlenkegeln, die Spitze an Spitze angeordnet sind (Sanduhr-Form). Warum sind die beiden dazugehörigen Einzelkegelreliefs immer Positiv-Negativ-Paare?
Hier wird eine Hypothese dazu vorgestellt, die davon ausgeht, dass Sanduhr-Doppelkegel-Reliefs das Produkt von kegelförmigen Druckwellen/Sekundärdruckwellen bzw. von kegelförmig das Gestein verformenden Prozessen sind.

Beim Aufbrechen von Strahlenkegel enthaltenden Gesteinen stellen die Mantelflächen der Kegel eine mechanische Schwachstelle dar, die nach dem Bruch in den Ebenen der beiden Bruchhälften als Strahlenkegel zutage treten. Handelt es sich um einen Doppelstrahlenkegel in Sanduhr Form und eine Spaltung des Gesteins beginnt entlang eines Teiles des Kegelmantels von Kegel 1, dann wird die Spaltung an der gemeinsamen Spitze beider Kegel nicht die Richtung ändern, sondern gradlinig weiter verlaufen, entlang des Kegelmantels von Kegel 2. Das bedeutet, er befindet sich ab der Taille der Kegel beim Kegel 2 auf der gegenüber liegenden Seite der gemeinsamen Mittelachse. Das Ergebnis zeigt dann auf der einen Bruchebenenseite ein positives und ein negatives Kegelrelief. In der zweiten Bruchhälfte wird das positive Relief von Kegel 1 zum negativen, das negative Relief der ersten Bruchebene zum positiven Relief.

Einführung
Wenn ein einfacher Strahlenkegel im Gestein entsteht, der aufgespaltet ein positives und ein negatives Relief auf der Oberfläche bildet, bezeichnet man beide als Strahlenkegel. Auch fast vollständig freigestellte Kegel (Vulkankegelform) werden so bezeichnet. Deren Oberfläche zeigt auch die typischen Feinstrukturen eines Strahlenkegels. Es fehlt jedoch zumeist die Spitze, was durch die mechanische Einwirkung bei der Freistellung des Kegels erklärbar ist.
Seltener gefunden werden Kegelreliefs als Pärchen, die Spitze zu Spitze angeordnet sind (Eieruhr-Form). Ob sie von einem Voll-Doppelstrahlenkegel in Sanduhranordnung stammen ist ungeklärt, denn komplett freigestellte 3D-Doppelstrahlenkegel kann man nicht finden, weil sie zu fragil wären, um eine Freistellung vom einbettenden Gestein ohne ein Durchbrechen im Spitzenbereich zu überstehen.
Es ist mir nicht bekannt, ob es Funde von Doppelstrahlenkegeln gibt, die zwar teilweise eingebettet sind, aber doch genügend Mantelfläche der beiden Kegel zeigen, um die Existenz von Komplett-Doppelstrahlenkegeln zu belegen.
Eine andere Form haben Doppelstrahlenkegel, die Kegelbasis an Kegelbasis orientiert sind. Solche Exemplare als fast ganz freigestellte Exemplare existieren tatsächlich.

Zur Unterscheidung werden komplett als geometrische Kegel freigestellte Funde hier als Vollstrahlenkegel bezeichnet. Nur als Reliefs repräsentierte Exemplare als Teilstrahlenkegel.

Abb.1 Doppelstrahlenkegel

Auffällig ist die Beobachtung, dass sich im Zentrum eines Doppel-Teilstrahlenkegels ungewöhnlich oft Jura-Fossilien finden. Auch im Foto (Abb.1) ist zwischen den beiden Kegeln ein Abdruck zu finden, der von einem glattschaligen Brachiopoden (Armfüßler) der Familie Terebratulidae stammen könnte (schriftl. Mitteilung Dr. V. J. Sach, Sigmaringen). Falls dieses gehäufte Auftreten von Fossilien tatsächlich vorliegt, dann ist es sicher nicht das Fossil als Individuum, sondern die relative Größe dieser Störstelle Ursache für die Bildung eines Doppel-Teilstrahlenkegels.
Der ganze Teil-Doppelstrahlenkegel-Abdruck auf diesem Bild erweckt den Eindruck, es könnte sich hier sogar um ZWEI Teil-Doppelstrahlenkegel handeln, benachbart, bzw. sich überlappend. Auch die rautenförmige Begrenzung im Mittelbereich könnte das Produkt solch einer Überlagerung von zwei Teil-Doppelkegeln sein.

Entstehung von Strahlenkegeln

Seitdem man Strahlenkegel gefunden hat, gibt es Theorien, Hypothesen, Ergebnisse von Experimenten und Computersimulationen, die zur Klärung der Frage der Entstehung beitragen. Eine Zusammenfassung dazu findet man bei David Baratoux [1], der resümiert, dass keine Einstimmigkeit über den Entstehungsprozess herrscht. Ferrière L., Osinski G. R [2] stellen fest, dass keine Theorie alle Ergebnisse von der mikroskopischen Analyse bis hin zu großen Strahlenkegeln im Feld berücksichtigt. Ein interessantes Ergebnis seiner Untersuchungen ist, dass Strahlenkegel in einem sehr frühen Stadium gebildet wurden, noch vor der eigentlichen Kraterentstehung.
Baratoux [1] und Sagy [3] bringen Zugspannungen in Verbindung mit der Strahlenkegelentstehung.
Es ist eine Tatsache, dass keine Untersuchung alle existierenden Strahlenkegelvarianten erklären kann. Ihre Genese hängt von vielen, schwer zu klärenden Einflüssen ab. Dass hoher Druck eine Rolle spielt, darüber besteht Konsens. Über die Druckverhältnisse (Druck oder Zug) und weitere Einflüsse nicht. Die Geschehnisse beim Einschlag entziehen sich einer Nachstellung im Labor: Klärung des zeitlichen Abschnitts der Entstehung, Größe der freigesetzten Energie, Richtung der Schockwelle(n), mehrere Ausgangspunkte der Primärschockwellen, Sekundärwellen, Zug- und Druckeffekte, Scherungen, Reflexionen, Interferenzen, Brechung, Streuung, Inhomogenitäten im Gestein, Eigenschaften des Gesteins unter hohem Druck usw..

Ein Aspekt ist auch die Frage, welche Form und Intensitätsverteilung die von der Störstelle (angenommen) voll-kegelförmige Sekundärdruckwelle hatte. Selbst wenn diese Form einem idealen Kegel gleichen würde, erzeugt sie nicht automatisch einen kompletten Vollstrahlenkegel. Die Intensität des sekundären Schockwellenkegels muss auch ausreichen, dem Gestein die Strahlenkegel-Struktur aufzuprägen. Das muss nicht auf dem gesamten Umfang der Mantelfläche(n) der Fall sein. Findet man ein Strahlenkegelrelief, das eindeutig begrenzt ist, kann trotzdem eine komplette Sekundär-Vollkegel-Druckwelle an diesem Ort existiert haben, die nur auf einem Teil der Mantelfläche(n) die Intensität für die Entstehung der Feinstruktur besaß.
Wenn schon die Entstehung von 'einfachen' Strahlenkegeln kontrovers gedeutet wird, muss man für die Existenz von Teil-Doppelstrahlenkegeln in Spitze zu Spitze oder Basis zu Basis Anordnung ein noch komplexeres Umfeld bei der Entstehung unterstellen um die Entstehung plausibel zu machen.
Basis zu Basis Vollkegel existieren tatsächlich.
Gängige vereinfachende Vorstellung von der Entstehung einfacher Strahlenkegel ist, dass die beim Einschlag entstehende Druckwelle sich bevorzugt nach oben und nach unten ausbreitet, vielleicht z.T. auch kugelförmig. Am Ort der Strahlenkegelbildung kann man sie als ebene Welle betrachten. Sie trifft auf eine Störung des Gesteins, von der aus dann die sekundäre Druckwelle sich strahlenförmig weiter ausbreitet und dabei einen Teilstrahlenkegel oder Vollstrahlenkegel erzeugt.
Bereits die Tatsache, dass auf kleinem Raum benachbarte, aber nebeneinander, über und/oder untereinander angeordnete Strahlenkegelreliefs gefunden werden, deren Spitzen auch in entgegen gesetzte Richtungen weisen, erschwert die Deutung ihrer Entstehung und die dafür zu unterstellende Druckwellen-Verteilungssituation.


Die Hypothese zur Positiv/Negativ Paarung von Teil-Doppelstrahlenkegeln

Achtung: Eine entscheidende Annahme für die hier beschriebene Hypothese ist, dass kegelförmige Sekundärdruckwellen bei der Entstehung der Teil- und Vollstrahlenkegel existiert haben. Wie Doppelstrahlenkegel überhaupt entstehen konnten, darüber einige Spekulationen im nächsten Abschnitt.
Es wird bei dieser hier beschriebenen Hypothese auch nur auf Sanduhrrelief-Formen eingegangen, nicht auf mögliche Relief-Produkte von Basis zu Basis Vollkegeln. Für diese ist auch das Entstehen von Positiv-Negativ-Pärchen Reliefs nicht (?) durch Funde belegt.

Es wird von zwei Szenarien ausgegangen:
Fall 1. Es gibt Teil-Doppelstrahlenkegel-Reliefs von kompletten (noch eingebetteten) Doppelkegeln, von denen (natürlich) nur das Relief existiert und freigelegt ist.
Fall 2. Es gibt Teil-Doppelstrahlenkegel–Reliefs, die ohne Grundlage eines tatsächlichen Voll-Doppelstrahlenkegels entstanden sind.

Positiv-Negativ Paarung

Jeder im Gestein befindliche Strahlenkegel verrät seine Existenz erst, wenn das Gestein zerbrochen wird, z.B. durch mechanische Einflüsse, oder beim Zersprengen durch Frost. In beiden Fällen stellen die Strahlenkegel-Mantelflächen mechanische Schwachstellen dar, die sich nach der Entstehung der Kegel beim Zerbrechen des Gesteins bevorzugt in der Bruchebene (Spaltebene) befinden.
Diese Hypothese geht davon aus, dass bei einer mechanischen Beanspruchung ein Bruch von H ausgehend (Abb.2 und 3) entlang eines Teils der Kegelmantelfläche von Kegel 1 bis zu dessen Spitze S verläuft (im -y-x Quadranten) und sich dann gradlinig am Kegelmantel des Kegels 2 bis über H1 weiter ausbreitet. Dieser Bruch-Teil liegt im +x+y Quadranten.

Abb.3 Doppelstrahlenkegel Spitze an Spitze mit Kegel 1 und Kegel 2 im Schnitt

Das auf der Bruchebene befindliche Relief vom Doppelkegel besteht daher (Blick in Richtung der schwarzen Pfeile auf die Bruchebene, Abb. 3) aus einem Negativ (von Kegel 1) und einem Positiv von Kegel 2.
Wären beide Abdrücke Positive (oder beide Negative), dann hätte die beim Zerbrechen entstehende Bruchebene an der gemeinsamen Kegelspitze S die Richtung ändern müssen (roter Pfeil mit Fragezeichen in Richtung G = Mantellinie von Kegel 2). Die Bruchebene müsste im Bereich der Spitze S abknicken. Das ist möglich, scheint aber selten zu geschehen, da es keine Fundstücke dazu gibt, soweit mir bekannt ist.
Wenn die eben geäußerte Vermutung zutrifft, wäre auch plausibel, dass sich oft der Bereich des Zentrums S nicht im gefundenen Doppel-Relief befindet, weil der Nahbereich von S keine ausgeprägte Kegelmantel-Schwachstelle darstellt, der Bruch also nicht unbedingt genau dort durchgehen muss.
Eine Folge dieser eben beschriebenen Hypothese ist, dass man beim Betrachten des Reliefs eines Teil-Doppelstrahlenkegels (Abb. 1 am Seitenanfang), sich von der Vorstellung frei machen muss, der Bruch sei parallel über oder unter der Rotationsachse (des zugrunde liegenden Voll-Doppelstrahlenkegels) erfolgt. Wäre das so, würden sich in den Bruchebenen fast keine Strahlenkegelstrukturen zeigen. Dem widerspricht auch der flache Winkel der Verbindungslinie zwischen höchster und tiefster Stelle des Reliefs gegen die Bruchebene des Handstücks). Dieser flache Winkel kann nur entstehen, wenn die Rotationsachse des Voll-Doppelstrahlenkegels stärker gegen die Bruchebene geneigt ist.
Erst durch die Berücksichtigung der Hypothese, dass der Bruch nahe den (der Rotationsachse gegenüberliegenden) Mantellinien der Kegel erfolgt, die Rotationsachse im betrachteten Bruch (Abb. 1) auf der linken positiven Kegelseite also stark nach unten, auf der rechten negativen Seite entsprechend weit in Richtung Betrachter gekippt ist, erklärt den flachen Winkel.
Wenn ein Doppelstrahlenkegel beim Aufspalten entlang der Rotationsachse zerbrechen würde, was wegen höherer Stabilität dort eher unwahrscheinlich ist, wären keine Strahlenkegel-Strukturen sichtbar, weil die die Bruchebene die Mantelflächen der beiden Kegel senkrecht schneiden würde.

Der Bruch eines Doppelstrahlenkegels ist also immer zur gemeinsamen Rotationsachse geneigt, der Winkel liegt nahe dem halben Öffnungswinkel der beiden Kegel, weil dort in der Summe das Spalten des Gesteins beim Bruch am leichtesten erfolgt.

Teilstrahlenkegel ohne Beteiligung eines ganzen Strahlenkegels (Fall 2)
Im Fall 2 ist die Entstehung des Doppelkegels ebenso wenig bekannt wie im Fall 1. Jedoch muss man hier unterstellen, dass die erzeugende Kegel-Sekundärdruckwelle nur auf einem begrenzten Bereich des Umfangs der Mantelfläche ausreichend Intensität besaß, die Strahlenkegel zu bilden. Genau nur den Bereich, den man als Abdruck im Teil-Strahlenkegel-Relief wiederfindet. Siehe folgenden Teil, Gedanken zur Entstehung von Teil-Doppelstrahlenkegel-Reliefs.
Wenn bei der Entstehung von Teilstrahlenkegeln gar keine Vollkegel-Sekundär-Druckwelle existierte, fällt es schwer, sich eine Teilkegel-Druckwelle mit der erforderlichen schalenförmigen (fokussierten) Form vorzustellen, die in der Lage wäre einen Teil-Doppelstrahlenkegel mit Positiv und Negativ zu erzeugen.

Gedanken zur Entstehung von Teil-Doppelstrahlenkegel-Reliefs
Es sind mehr oder weniger atemberaubende Spekulationen zur Druckverteilung und dem Entstehungsmechanismus nötig, um ein Mindestmaß an 'Vorstellung' vom Geschehen bei der Doppelstrahlenkegel-Bildung zu bekommen. Überlegungen hier sind also nur Gedankenspiele. Und für jede findet man auch sofort Gegenargumente. Wie könnte es anders sein, wenn doch schon die Erklärungen der Genese 'einfacher' Strahlenkegel von Widersprüchen begleitet werden.

Szenarien:
1. Doppelstrahlenkegel könnten entstehen, wenn zwei Druckwellenfronten kollidieren (von denen eine schon eine Sekundärwelle sein könnte). Dabei sind zwei Entstehungsrichtungen der Kegel denkbar, in Ausbreitungsrichtung der Primärwellen, oder senkrecht dazu.

2. Druckwellen könnten zu einem Fokuspunkt/Fokusbereich hin fokussiert aufgetreten sein. Auch wenn von mehreren Quellbereichen aus Kugeldruckwellen ausgehen würden, gäbe es einen Intensitätsüberlagerungsbereich, der, ähnlich einer fokussierten Druckwelle, im Überlagerungsbereich eine höhere Energie einträgt, genug, um dort einen Doppelstrahlenkegel (Spitze zu Spitze) zu erzeugen.
Diese Spekulation unterstellt, dass der zuerst entstehende Kegel dann auch von der Kegelbasis aus entstehen kann, was unwahrscheinlich erscheint.

3. Der Doppelstrahlenkegel entstand in zwei, nacheinander ablaufenden Abschnitten. Dabei entstand zunächst das erste Teilstrahlenkegel-Relief gemäß des bisherigen Verständnisses. Anschließend wurde die ursprüngliche Primärdruckwelle entweder (zurück-) reflektiert (wodurch?) oder es trat eine zweite (der ursprünglichen entgegen gerichtete) Primärdruckwelle auf, traf den soeben entstandenen Teilstrahlenkegel (von der Basis her auf der konvexen Seite, die konkave Seite würde die Druckwelle defokussieren) und wurde an dessen schalenförmiger Mantelfläche durch Reflexion fokussiert und überlagerte sich mit der zweiten Primärdruckwelle. Es entstand dann ab der Störstelle an der Spitze des ersten Kegels der zweite Strahlenkegel.
Für solch eine Entstehung des Doppelkegels muss man gar nicht eine Reflexion der Druckwelle an der Mantelfläche des ersten Kegels unterstellen. Es reicht, eine, der ersten Druckwelle entgegen gerichtete Druckwelle, die (unbeeinflusst vom ersten Kegel) an der Spitze des ersten Kegels, wo sich auch die Störstelle befindet (z.B. ein Fossil, oder eine (mineralische) Konkretion), den zweiten Kegel erzeugt.


4. Auch die Entstehung von Doppelstrahlenkegeln mit gemeinsamer Kegelgrundfläche könnte von zwei (gegenläufigen)Druckwellen ausgelöst worden sein. Hier müsste noch der Zufall eine Rolle gespielt haben, mit zwei Störstellen im Gestein im 'richtigen' Abstand' (=Länge des gesamten Doppelkegels).

Ungeachtet des spekulativen Charakters der Genese, sind Doppelstrahlenkegel interessante Objekte, die möglicherweise auch Informationen zum Verständnis der Entstehung 'einfacher' Strahlenkegel liefern könnten.


Quellen:
[1] David Baratoux, Wolf Uwe Reimold
The current state of knowledge about shatter cones:
Introduction to the special issue. Meteoritics & Planetary Science 1–46 (2016)
Link:
www.researchgate.net

[2] Ferrière L., Osinski G. R
Meteoritics & Planetary Science 41st Lunar and Planetary Science Conference (2010): Shatter Cones and Associated Shock-induced Microdeformations in Minerals
Link:
www.researchgate.net

[3] Amir Sagy et al. 2004
Shatter cones: Branched, rapid fractures formed by shock impact

JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 109, B10209, doi:10.1029/2004JB003016, 2004
Link:
www.whoi.edu

Veröffentlicht 07.07.2018