Verformungsraten abhängige Spröddeformation von Gestein während der Impaktkraterbildung: Verknüpfung mechanischer Daten mit Mirkrostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Kenkmann; Professor Dr. Frank Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398025349

Während eines Impakt-Ereignisses unterliegen Minerale und Gesteine einer hochdynamischen Deformation, die Verformungsraten von >1000000 pro Sekunde erreicht. Durch die räumliche Ausdünnung der sich fortpflanzenden Stoßwelle nehmen Verformungsrate und Druck mit zunehmender Entfernung jedoch ab. Ein beträchtlicher Volumenanteil des Gesteins wird bei einer Verformungsrate von mehr als 10-100 pro Sekunde deformiert, einem Bereich, ab dem spröde Deformation eine Ratenabhängigkeit zeigt. Das Ziel dieser Studie ist, die Abhängigkeit der Spröddeformation von der Verformungsrate vom quasi-statischen bis hin zum hochdynamischen Bereich zu verstehen und zu quantifizieren und mit den auftretenden Mikrostrukturen zu verknüpfen. Um dies zu erreichen, wollen wir die mechanischen Daten (Festigkeit, E-Modul, Poissonzahl) von Kalkstein, Tonstein, Granit und Basalt bei variablen Verformungsraten, die von quasi-statischen (~0.1 pro Sekunde) bis zum hoch-dynamischen (1000000 pro Sekunde) Bedingungen reichen, unter Druck und Zugbelastung bestimmen. Die Daten werden mit einer Triaxialzelle (0.1-1 pro Sekunde), einem Split-Hopkinson-Pressure-Bar (1-1000 pro Sekunde), und einer Flyer-plate facility (>>1000 pro Sekunde) erhoben. Wir bestimmen die Zunahme der Druck- und Zugfestigkeit als Funktion der Verformungsrate. Die mechanische Analyse wird mit einer microstrukturellen Untersuchung der experimentell deformierten Proben kombiniert, insbesondere im Hinblick auf die Bruch-Topographie, Rissbifurkations-Charakteristik, Rissdichte, und die Riss/Fragmentgrößen-Häufigkeitsverteilung. Dies wird zu einem Verständnis des Versagensmechanismus, der Riß-Energieverteilung und der Spannungsresistenz als Funktion der Verformungsrate führen. Wir erwarten, dass die Gesteine in Abhängigkeit von der Verformungsrate charakteristische Merkmale (fingerprints) aufweisen, die auf natürlich deformierte Gesteine angewandt werden können. Daraus lassen sich dann die Rahmenbedingungen der Deformation ermitteln. Die experimentellen Ergebnisse sollen an den Impaktkratern Barringer und Chicxulub getestet werden.Die verformungsratenabhängige Festigkeitszunahme (DIF) soll in bestehende numerische Modelle zur Kraterbildung implementiert werden (z.B. in den iSALE Code). Hierbei werden wir insbesondere testen, welchen Effekt die dynamische Festigkeitszunahme auf die Kratereffizienz besitzt. Die Ergebnisse der Studie werden eine große Relevanz auch für andere Geo-Hazards haben, die mit hohen Verformungsraten verknüpft sind, insbesondere für seismogenes Bruchversagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen