Impact cratering in sandstone: TheMEMIN pilot study on the effect ofpore water
Thomas KENKMANN et al.
Meteoritics & Planetary Science 46,
Nr6, 890-902, 2011神戸大学 M2岡本 尚也

1. Introduction
地球上には178個を超える衝突クレーターが発見されている (Earth Impact Database)

形成場所
70個ー 堆積岩
57個ー 結晶質の下部構造の上を堆積岩が覆っている場所
51個ー 結晶質岩 or 脱水された堆積岩

・ 地球上の衝突クレーターでは、堆積岩が最もありふれたターゲット物質の一つとなっている。
・ 風成堆積物や河成堆積物は火星にもある・月のような他の惑星天体には、レゴリス角礫岩が表面に良く見られる。

1. Introduction
水の存在
・海の環境、地下水で部分的に満たされた表面上。
(Dypvik et al. 2004)

・月にも水がある (LCROSS)
衝突実験
・空隙率を考慮（Love et al. 1993）

・Pore water(間隙水)とクレーター体積の関係に注目(Baldwin et al. 2007)
クレーター形成に対する空隙率や液体の効果を理解することが重要。

1. Introduction
研究目的
Sandstoneにできるクレーターにおける porewater （間隙をうめる水）の影響を理解すること
・ 衝突実験 2タイプ
― dry sandstone, wet sandstone
・ クレーター形状、ターゲットの破壊、イジェクタ速度を解析

これらは近年設立されたMEMINの枠組みによって行われた。
(Multidisciplinary Experimental and Modeling Impact Research Network)2. Experiments

全長40m
二段式軽ガス銃(@Fraunhofer Institut Fur Kuzzeitdynamik Ernst-Mach-Institutin Efringen-Kirchen, Germany)2. Experiments
ライトSet -up

ファイバーボード

レーザー

ハイスピードカメラ

・水平撃ち・レーザー通過時間から速度を求める
・円筒形のサボに封入して発射
フレーミングインターバル：180ns
チャンバー内圧力：500mbar

ターゲット(スチールの枠で囲っている）

2. Experiments
ターゲット
サイズ ： 1.0×1.0×0.5 m
Sandstone―Seeberger Sandsteinと呼ばれる塊から切り分けられた
Seeberger Sandstein（ドイツのGotha近く、チューリンゲン盆地)―後期三畳紀時代の砂岩、河川作用で作られた堆積物使われたSandstoneの特徴― 平均粒子サイズ：0.17±0.01 mm
センチメートル間隔の層
組成はほぼSiO2 (97wt%)
空隙率:１２~２０ vol%

2. Experiments
1. 実験2808
Dry sandstone を使用
2．実験2809
Wet sandstone を使用
Wet sandstone

圧縮強度：
dry target : 62.4±2.8 MPa
wet target : 47.0±3.7 MPa

水に浸す前後の質量測定により、全体のpore(間隙)の44%が水に満たされていたと計算
水がどのように分布しているかはわからないが、単純な幾何学計算からあらゆる表面から6.6cm以内には広がっていると考えている。
クレーター形成過程はこの水の入った部分に起こったとしている。（←実験2809でのクレーター深さは4.5cm）

2. Experiments

2. Analysis
解析方法
・密度、空隙率
アルキメデス法、空隙率は薄片画像からも決定

・水の飽和度ターゲットを水に入れる前と後の質量を測ることで決定
・解析機器

X線蛍光分光法（XRF）、走査型電子顕微鏡(SEM)、光学顕微鏡
・クレーター形状
シリコンの型を用意。
これを使ってクレーターcavityのレプリカを石膏で作る。
デジタルスキャンして三次元のデータを得た。
・データ処理、体積測定、高度決定
３D Move and Surfer software package

3. Results
Dry sandstone

Wet sandstone

直径24.3±0.5 cm

28.7±0.9 cm

深さ5.6±0.2 cm

4.5±0.1 cm

深さ / 直径0.231±0.013

0.157±0.008

体積

715±29 cm31099±44 cm3

3. Results
Dry sandstone

特徴dry

最下部は丸みを帯びてる。
逆円錐形になっている

Wet sandstone

wet

広がりがdry sandstoneよりも大きい。

3. Results クレーター形状の解析
トランジェントクレーター
スポレーション

放物線

・自然界でできるクレーター⇒トランジェントクレーターの範囲内にスポレーションが位置する
・トランジェントクレーターはcavityの最大範囲を表し、放物線で近似できる。
・自然界でおこるクレーターを考える上で、本実験でのトランジェントクレーターを決定する。

3. Results

トランジェント
クレーターの直径
クレーター効率

Dry sandstone

Wet sandstone

8.2±0.5 cm

11.3±1.8 cm

83±10128±40

どちらもおよそ79%ほどのスポレーション

3. Results
クレーター下の様相

Dry sandstone

Wet sandstone・クレーターの最も深いところでは石英の破片によっておおわれていた。
・割れ目は同心円状に広がり、角度は浅い。
・層のある面に沿い、割れ目が優先的にできている。
・クレーター中央の真下にある割れ目は3-4cmに広がっている。

3. Results
A

F(1)粒子がほとんど変形していないsandstone(2)粒子の破壊、pore（間隙）の崩壊
B(3)粉々になった粒子

GCH

割れ目の数はベキ乗で減少

DI
EJ

3. Results
dry sandstone

wet sandstone

dry sandstone・ejecta tubeとejecta coneの角度の時間発展
・continuous ejectaとfireball(hot ejecta plume)の速度の時間発展

3. Results

3. Results
ファイバーボードに残った跡
Dry sandstone

Wet sandstone3. Results
iSALE （Wunnemann et al. 2006）
・空隙率の影響がクレーター成長に及ぼす影響を定量化
・衝撃加熱や溶融の定量化もできる・トランジエントクレーターサイズを合わせる←物質のせん断強度を変えることで3. Results
数値シミュレーションとの比較
Dry sandstone

問題点
・シミュレーションではせん断強度を５MPa⇔静的強度測定では50-60MPa⇒体積が増すと強度が小さくなる効果（Weibull 1951）の影響？
・引っ張り破壊を考慮していない。
⇒シミュレーションではスポレーションができない。

4. Discussion
pore waterの効果
・wet実験の方がクレーターがより浅い⇒間隙の崩壊は流体の存在によって妨げられるから・dryターゲットのイジェクタの角度が60°⇔Burchell 2003 では47-53°⇒空隙が大きいとより深く潜り込み、イジェクタの角度はより狭くなるから。
しかし、Burchell 2003では氷や氷－シリケート混合物への衝突実験では60°を超えるイジェクタもある。
⇒イジェクタ角度はいくらかの要因によってコントロールされている・クレーター効率πv はwetよりもdryターゲットの方が小さい。
⇒粒子のすきまに水 が入ることで衝撃波が減衰するため。また静的強度を弱くなっているため。
・イジェクタの速度がwetターゲットの方が速い⇒水が蒸発しイジェクタを付加的に加速させているのかも4. Discussion
Pi スケーリング

wetdryY/ρp*U2

5. Summary
自然界に起こる衝突イベント⇒ 空隙率や揮発性物質の役割を理解するために実験が必要
二段式軽ガス銃を用いて衝突実験
プロジェクタイル：steel
ターゲット：dry sandstone, wet sandstone
衝突速度：～5300m/s
クレーター効率、イジェクタ速度、スポール体積⇒ pore water(間隙水)があると大きくなる
水の蒸発が衝突の流れ場に寄与する可能性がある
MEMINプロジェクトの枠組みとして、クレーター形成の理解を広げるため、dryとwet sandstoneへのクレーター実験をさらに実行中